Vedci z Princeton Laboratory of Plasma Physics prišli s myšlienkou najodolnejšieho zariadenia na jadrovú fúziu, ktoré môže trvať viac ako 60 rokov. V súčasnosti je to ťažká úloha: vedci sa snažia, aby termonukleárny reaktor fungoval niekoľko minút – a tu je to už roky. Napriek zložitosti je vybudovanie termonukleárneho reaktora jednou z najsľubnejších úloh vedy, ktorá môže byť veľkým prínosom. Tu je to, čo potrebujete vedieť o termonukleárnej fúzii.

1. Čo je termonukleárna fúzia?

Nenechajte sa zastrašiť touto ťažkopádnou frázou, v skutočnosti je všetko celkom jednoduché. Fúzia je typ jadrovej reakcie.

V priebehu jadrovej reakcie jadro atómu interaguje buď s elementárnou časticou, alebo s jadrom iného atómu, čím sa mení zloženie a štruktúra jadra. Ťažké atómové jadro sa môže rozpadnúť na dve alebo tri ľahšie - ide o štiepnu reakciu. Existuje aj fúzna reakcia: vtedy sa dve ľahké atómové jadrá spoja do jedného ťažkého.

Na rozdiel od jadrového štiepenia, ktoré môže prebiehať spontánne aj nedobrovoľne, je jadrová fúzia nemožná bez dodávky vonkajšej energie. Ako viete, protiklady sa priťahujú, ale atómové jadrá sú kladne nabité - preto sa navzájom odpudzujú. Táto situácia sa nazýva Coulombova bariéra. Aby ste prekonali odpor, musíte tieto častice urýchliť na šialenú rýchlosť. Dá sa to dosiahnuť pri veľmi vysokých teplotách – rádovo niekoľko miliónov Kelvinov. Práve tieto reakcie sa nazývajú termonukleárne.

2. Prečo potrebujeme termonukleárnu fúziu?

Pri jadrových a termonukleárnych reakciách sa uvoľňuje obrovské množstvo energie, ktorá sa dá využiť na rôzne účely – môžete vytvoriť silnú zbraň, alebo premeniť jadrovú energiu na elektrinu a zásobiť ňou celý svet. V jadrových elektrárňach sa už dlho využíva energia jadrového rozpadu. Ale termonukleárna energia vyzerá sľubnejšie. Pri termonukleárnej reakcii sa pre každý nukleón (takzvané základné jadrá, protóny a neutróny) uvoľní oveľa viac energie ako pri jadrovej reakcii. Napríklad pre štiepenie jadra uránu na nukleón predstavuje 0,9 MeV (megaelektrónvolt) a priPri syntéze jadra hélia sa z vodíkových jadier uvoľní energia rovnajúca sa 6 MeV. Vedci sa preto učia vykonávať termonukleárne reakcie.

Výskum jadrovej syntézy a výstavba reaktorov umožňujú rozširovať high-tech výrobu, ktorá je užitočná v iných oblastiach vedy a high-tech.

3. Čo sú termonukleárne reakcie?

Termonukleárne reakcie sa delia na samoudržiavacie, neriadené (používané vo vodíkových bombách) a riadené (vhodné na mierové účely).

V útrobách hviezd prebiehajú samoudržiavacie reakcie. Na Zemi však nie sú podmienky na takéto reakcie.

Ľudia už dlho vykonávajú nekontrolovanú alebo výbušnú termonukleárnu fúziu. V roku 1952, počas operácie Eevee Mike, Američania odpálili prvé termonukleárne výbušné zariadenie na svete, ktoré nemalo ako zbraň žiadnu praktickú hodnotu. A v októbri 1961 bola testovaná prvá termonukleárna (vodíková) bomba na svete (Cár Bomba, matka Kuz'kina), ktorú vyvinuli sovietski vedci pod vedením Igora Kurčatova. Bolo to najsilnejšie výbušné zariadenie v celej histórii ľudstva: celková energia výbuchu sa podľa rôznych zdrojov pohybovala od 57 do 58,6 megaton v ekvivalente TNT. Ak chcete odpáliť vodíkovú bombu, musíte najskôr dosiahnuť vysokú teplotu pri obyčajnom jadrovom výbuchu - až potom začnú reagovať atómové jadrá.

Sila výbuchu pri nekontrolovanej jadrovej reakcii je veľmi vysoká, navyše je vysoký podiel rádioaktívnej kontaminácie. Preto, aby sa termonukleárna energia využívala na mierové účely, je potrebné naučiť sa s ňou hospodáriť.

4. Čo je potrebné na riadenú termonukleárnu reakciu?

Zachovajte plazmu!

nejasné? Poďme si to teraz vysvetliť.

Po prvé, atómové jadrá. V jadrovej energetike sa používajú izotopy - atómy, ktoré sa navzájom líšia počtom neutrónov a podľa toho aj atómovou hmotnosťou. Izotop vodíka deutérium (D) sa extrahuje z vody. Superťažký vodík alebo trícium (T) je rádioaktívny izotop vodíka, ktorý je vedľajším produktom rozpadových reakcií uskutočňovaných v konvenčných jadrových reaktoroch. Aj pri termonukleárnych reakciách sa využíva ľahký izotop vodíka – protium: je to jediný stabilný prvok, ktorý nemá v jadre neutróny. Hélium-3 sa na Zemi nachádza v zanedbateľnom množstve, no v lunárnej pôde (regolite) je ho veľa: v 80. rokoch NASA vypracovala plán hypotetických inštalácií na spracovanie regolitu a izoláciu cenného izotopu. Na druhej strane je na našej planéte rozšírený ďalší izotop, bór-11. 80% bóru na Zemi je izotop, ktorý jadroví vedci potrebujú.

Po druhé, teplota je veľmi vysoká. Látkou zúčastňujúcou sa termonukleárnej reakcie musí byť takmer úplne ionizovaná plazma – ide o plyn, v ktorom oddelene plávajú voľné elektróny a ióny rôzneho náboja. Na premenu hmoty na plazmu je potrebná teplota 10 7 – 10 8 K – to sú stovky miliónov stupňov Celzia! Takéto ultra vysoké teploty možno dosiahnuť vytvorením vysokovýkonných elektrických výbojov v plazme.

Je však nemožné jednoducho zahriať potrebné chemické prvky. Každý reaktor sa pri týchto teplotách okamžite vyparí. To si vyžaduje úplne iný prístup. K dnešnému dňu je možné držať plazmu v obmedzenom priestore pomocou supervýkonných elektrických magnetov. Ale ešte nie je možné plne využiť energiu získanú v dôsledku termonukleárnej reakcie: aj pod vplyvom magnetického poľa sa plazma šíri vo vesmíre.

5. Aké sú najsľubnejšie reakcie?

Deutérium (2H) a trícium (3H) a vo vzdialenejšej budúcnosti hélium-3 (3He) a bór-11 (11B) sa budú používať v hlavných jadrových reakciách, ktoré sa plánujú použiť na uskutočnenie riadených termonukleárna fúzia.

Tu sú najzaujímavejšie reakcie.

1) 2 D + 3 T -> 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV) - reakcia deutérium-trícium.

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% je takzvané monopalivo z deutéria.

Reakcie 1 a 2 sú plné neutrónovej rádioaktívnej kontaminácie. Najsľubnejšie sú preto reakcie „bez neutrónov“.

3) 2 D + 3 He -> 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV) - deutérium reaguje s héliom-3. Problém je, že hélium-3 je extrémne zriedkavé. Avšak výstup bez neutrónov robí túto reakciu sľubnou.

4) p + 11 B -> 3 4 He + 8,7 MeV - bór-11 reaguje s protiom, výsledkom čoho sú alfa častice, ktoré môžu byť absorbované hliníkovou fóliou.

6. Kde uskutočniť takúto reakciu?

Prírodný fúzny reaktor je hviezda. V ňom je plazma držaná gravitáciou a žiarenie je absorbované - jadro sa tak neochladzuje.

Na Zemi je možné termonukleárne reakcie vykonávať iba v špeciálnych zariadeniach.

Impulzné systémy. V takýchto systémoch sú deutérium a trícium ožarované ultravýkonnými laserovými lúčmi alebo elektrónovými/iónovými lúčmi. Takéto ožarovanie spôsobuje sled termonukleárnych mikrovýbuchov. Takéto systémy sú však nerentabilné na použitie v priemyselnom meradle: na zrýchlenie atómov sa spotrebuje oveľa viac energie, ako sa získa v dôsledku syntézy, pretože nie všetky zrýchlené atómy reagujú. Preto mnohé krajiny budujú kvázistacionárne systémy.

Kvázistacionárne systémy. V takýchto reaktoroch je plazma obmedzená magnetickým poľom pri nízkom tlaku a vysokej teplote. Existujú tri typy reaktorov založených na rôznych konfiguráciách magnetického poľa. Ide o tokamaky, stelarátory (torsatrony) a zrkadlové pasce.

Tokamak znamená toroidnú komoru magnetickej cievky. Ide o „donutovú“ (torusovú) komoru, na ktorej sú navinuté cievky. Hlavnou črtou tokamaku je použitie striedavého elektrického prúdu, ktorý preteká plazmou, ohrieva ju a vytvára okolo seba magnetické pole a drží ju.

V stelarátor (torsatron) magnetické pole je úplne obsiahnuté magnetickými cievkami a na rozdiel od tokamaku môže fungovať nepretržite.

V s zrkadlové (otvorené) pasce využíva sa princíp odrazu. Komora je na oboch stranách uzavretá magnetickými „zátkami“, ktoré odrážajú plazmu a držia ju v reaktore.

O prvenstvo dlho bojovali zrkadlové pasce a tokamaky. Spočiatku sa koncept pasce zdal jednoduchší a teda lacnejší. Začiatkom 60. rokov boli otvorené pasce hojne financované, ale nestabilita plazmy a neúspešné pokusy zadržať ju magnetickým poľom prinútili tieto inštalácie skomplikovať - ​​zdanlivo jednoduché konštrukcie sa zmenili na pekelné stroje a nebolo možné dosiahnuť stabilný výsledok. Preto sa v 80. rokoch dostali do popredia tokamaky. V roku 1984 bol vypustený európsky tokamak JET, ktorého cena bola len 180 miliónov dolárov a parametre umožňovali uskutočniť termonukleárnu reakciu. V ZSSR a vo Francúzsku boli skonštruované supravodivé tokamaky, ktoré takmer nemíňali energiu na prevádzku magnetického systému.

7. Kto sa teraz učí vykonávať termonukleárne reakcie?

Mnohé krajiny budujú svoje vlastné termonukleárne reaktory. Experimentálne reaktory sú v Kazachstane, Číne, USA a Japonsku. Kurčatov inštitút pracuje na reaktore IGNITOR. Nemecko spustilo fúzny stelarátorový reaktor Wendelstein 7-X.

Najznámejší je medzinárodný projekt tokamaku ITER (ITER, International Experimental Thermonuclear Reactor) vo výskumnom centre Cadarache (Francúzsko). Jeho výstavba mala byť dokončená v roku 2016, no veľkosť potrebnej finančnej podpory narástla a načasovanie experimentov sa posunulo na rok 2025. Európska únia, USA, Čína, India, Japonsko, Južná Kórea a Rusko sú zapojené do aktivít ITER. Hlavný podiel na financovaní má EÚ (45 %), zvyšok účastníkov dodáva high-tech zariadenia. Rusko vyrába najmä supravodivé materiály a káble, rádiové trubice na ohrev plazmy (gyrotróny) a poistky pre supravodivé cievky, ako aj komponenty pre najzložitejšiu časť reaktora – prvú stenu, ktorá musí odolávať elektromagnetickým silám, neutrónovému žiareniu a plazmového žiarenia.

8. Prečo stále nepoužívame termonukleárne reaktory?

Moderné zariadenia na tokamaky nie sú fúzne reaktory, ale výskumné zariadenia, v ktorých je existencia a uchovanie plazmy možná len na krátky čas. Faktom je, že vedci sa ešte nenaučili, ako udržať plazmu v reaktore po dlhú dobu.

V súčasnosti je za jeden z najväčších úspechov v oblasti jadrovej fúzie považovaný úspech nemeckých vedcov, ktorým sa podarilo zohriať plynný vodík na 80 miliónov stupňov Celzia a udržať oblak vodíkovej plazmy na štvrť sekundy. A v Číne sa vodíková plazma zahriala na 49,999 milióna stupňov a udržala sa 102 sekúnd. Ruským vedcom z (GI Budker Institute of Nuclear Physics, Novosibirsk) sa podarilo dosiahnuť stabilný ohrev plazmy až na desať miliónov stupňov Celzia. Nedávno však Američania navrhli spôsob, ako obmedziť plazmu na 60 rokov – a to je povzbudivé.

Okrem toho sa diskutuje o ziskovosti fúzie v priemysle. Nie je známe, či prínosy výroby elektriny pokryjú náklady na fúziu. Navrhuje sa experimentovať s reakciami (napríklad opustiť tradičnú reakciu deutéria-trícia alebo monopaliva v prospech iných reakcií), konštrukčných materiálov - alebo dokonca opustiť myšlienku priemyselnej termonukleárnej fúzie a použiť ju iba na individuálne účely. reakcie pri štiepnych reakciách. Vedci však aj tak pokračujú v experimentoch.

9. Sú fúzne reaktory bezpečné?

Pomerne. Trícium, ktoré sa používa pri termonukleárnych reakciách, je rádioaktívne. Navyše fúzne neuróny ožarujú štruktúru reaktora. Samotné prvky reaktora sú v dôsledku účinkov plazmy pokryté rádioaktívnym prachom.

Napriek tomu je fúzny reaktor z hľadiska žiarenia oveľa bezpečnejší ako jadrový. V reaktore je relatívne málo rádioaktívnych látok. Konštrukcia samotného reaktora navyše predpokladá absenciu „dier“, cez ktoré môže prenikať žiarenie. Vákuová komora reaktora musí byť utesnená, inak reaktor jednoducho nebude môcť fungovať. Pri výstavbe fúznych reaktorov sa používajú materiály testované jadrovou energiou a v priestoroch sa udržiava znížený tlak.

Atóm je stavebným kameňom vesmíru. Existuje len asi sto atómov rôznych typov. Väčšina prvkov je stabilná (napríklad kyslík a dusík v atmosfére; uhlík, kyslík a vodík sú hlavnými zložkami nášho tela a všetkých ostatných živých organizmov). Ostatné prvky, väčšinou veľmi ťažké, sú nestabilné, čo znamená, že sa spontánne rozkladajú, čím vznikajú ďalšie prvky. Táto premena sa nazýva jadrová reakcia.

Jadrové reakcie sú premeny atómových jadier pri interakcii s elementárnymi časticami, r-kvantami alebo medzi sebou navzájom.

Jadrové reakcie sú rozdelené do dvoch typov: jadrové štiepenie a termonukleárna fúzia.

Jadrové štiepenie je proces rozdelenia atómového jadra na dve (menej často tri) jadrá s podobnou hmotnosťou, nazývané štiepne fragmenty. V dôsledku štiepenia môžu vzniknúť aj ďalšie produkty reakcie: ľahké jadrá (hlavne častice alfa), neutróny a gama kvantá. Delenie je spontánne (spontánne) a vynútené.

Spontánne (spontánne) je štiepenie jadier, pri ktorom sa niektoré pomerne ťažké jadrá rozpadnú na dva fragmenty s približne rovnakými hmotnosťami.

Spontánne štiepenie bolo prvýkrát objavené pre prírodný urán. Ako každý iný typ rádioaktívneho rozpadu, spontánne štiepenie sa vyznačuje polčasom rozpadu (obdobie štiepenia). Polčas spontánneho štiepenia sa líši vo veľmi širokom rozmedzí pre rôzne jadrá (od 1018 rokov pre 93Np237 po niekoľko desatín sekundy pre transuránové prvky).

Nútené štiepenie jadier môže spôsobiť akékoľvek častice: fotóny, neutróny, protóny, deuteróny, b-častice atď., ak energia, ktorú do jadra prinesú, je dostatočná na prekonanie štiepnej bariéry. Pre jadrovú energetiku je dôležitejšie štiepenie vyvolané neutrónmi. Štiepna reakcia ťažkých jadier sa prvýkrát uskutočnila na uráne U235. Aby sa jadro uránu rozpadlo na dva fragmenty, je mu odovzdaná aktivačná energia. Jadro uránu prijíma túto energiu zachytením neutrónu. Jadro sa dostane do excitovaného stavu, deformuje sa, medzi časťami jadra sa objaví „most“ a pôsobením Coulombových odpudivých síl sa jadro rozdelí na dva úlomky nerovnakej hmotnosti. Oba fragmenty sú rádioaktívne a emitujú 2 alebo 3 sekundárne neutróny.

Ryža. 4

Sekundárne neutróny sú pohlcované susednými jadrami uránu, čo spôsobuje ich štiepenie. Za vhodných podmienok môže nastať samorozvíjajúci sa proces hromadného jadrového štiepenia, nazývaný jadrová reťazová reakcia. Táto reakcia je sprevádzaná uvoľnením kolosálnej energie. Napríklad pri úplnom spálení 1 g uránu sa uvoľní 8,28 · 1010 J energie. Jadrovú reakciu charakterizuje tepelný efekt, čo je rozdiel medzi pokojovými hmotnosťami jadier vstupujúcich do jadrovej reakcie a jadrami vzniknutými v dôsledku reakcie, t.j. energetický účinok jadrovej reakcie je určený najmä rozdielom hmotností konečného a počiatočného jadra. Na základe ekvivalencie energie a hmotnosti je možné vypočítať energiu uvoľnenú alebo vynaloženú v priebehu jadrovej reakcie, ak presne poznáte hmotnosť všetkých jadier a častíc zúčastňujúcich sa reakcie. Podľa Einsteinovho zákona:

• E = Mc2
• ►E = (mA + mx - mB - my) c2

kde mА a mх sú hmotnosti cieľového jadra a bombardovacieho jadra (častice);

mB a my sú hmoty a jadrá vytvorené ako výsledok reakcie.

Čím viac energie sa pri tvorbe jadra uvoľní, tým je silnejšie. Väzbová energia jadra je množstvo energie potrebnej na rozklad jadra atómu na jeho časti - nukleóny (protóny a neutróny).

Príkladom nekontrolovanej štiepnej reťazovej reakcie je výbuch atómovej bomby, riadená jadrová reakcia sa uskutočňuje v jadrových reaktoroch.

Termonukleárna fúzia je opakom atómového štiepenia, fúzie ľahkých atómových jadier na ťažšie jadrá, ku ktorej dochádza pri ultravysokých teplotách a sprevádzaná uvoľnením obrovského množstva energie. Realizácia riadenej termonukleárnej fúzie poskytne ľudstvu nový ekologický a prakticky nevyčerpateľný zdroj energie, ktorý je založený na zrážke jadier izotopov vodíka, pričom vodík je najrozšírenejšou látkou vo vesmíre.

Proces fúzie prebieha s výraznou intenzitou len medzi ľahkými jadrami s malým kladným nábojom a len pri vysokých teplotách, kedy kinetická energia kolidujúcich jadier postačuje na prekonanie Coulombovej potenciálovej bariéry. Reakcie medzi ťažkými izotopmi vodíka (deutérium 2H a trícium 3H) s tvorbou silne viazaných jadier hélia prebiehajú neporovnateľne vyššími rýchlosťami.

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

Tieto reakcie sú najviac zaujímavé pre problém riadenej termonukleárnej fúzie. Deutérium sa nachádza v morskej vode. Jeho zásoby sú všeobecne dostupné a veľmi veľké: podiel deutéria predstavuje asi 0,016 % z celkového počtu atómov vodíka, ktoré tvoria vodu, zatiaľ čo svetové oceány pokrývajú 71 % povrchu Zeme. Reakcia s účasťou trícia je atraktívnejšia, pretože je sprevádzaná veľkým uvoľňovaním energie a prebieha významnou rýchlosťou. Trícium je rádioaktívne (polčas rozpadu 12,5 roka) a nevyskytuje sa prirodzene. Na zabezpečenie prevádzky navrhovaného termonukleárneho reaktora využívajúceho trícium ako jadrové palivo je preto potrebné zabezpečiť možnosť šľachtenia trícia.

Reakcia s takzvaným lunárnym izotopom 3He má množstvo výhod oproti reakcii deutérium-trícium, ktorá je najviac dosiahnuteľná v pozemských podmienkach.

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

výhody:

• 1.3 Nie je rádioaktívny.
• 2. desaťkrát nižší tok neutrónov z reakčnej zóny, čo výrazne znižuje indukovanú rádioaktivitu a degradáciu konštrukčných materiálov reaktora;
• 3. Vzniknuté protóny sa na rozdiel od neutrónov ľahko zachytávajú a môžu sa použiť na dodatočnú výrobu elektriny.

Prirodzené zastúpenie izotopov 3He v atmosfére je 0,000137 %. Väčšina 3He na Zemi prežila od svojho vzniku. Rozpúšťa sa v plášti a postupne sa dostáva do atmosféry. Na Zemi sa ťaží vo veľmi malom množstve, ktoré predstavuje niekoľko desiatok gramov ročne.

Hélium-3 je vedľajším produktom slnečných reakcií. Výsledkom je, že Mesiac, ktorý nemá atmosféru, obsahuje až 10 miliónov ton tejto cennej látky (podľa minimálnych odhadov 500 tisíc ton). Pri termonukleárnej fúzii, keď do reakcie vstúpi 1 tona hélia-3 s 0,67 tonami deutéria, sa uvoľní energia zodpovedajúca spáleniu 15 miliónov ton ropy (technická realizovateľnosť tejto reakcie však ešte nebola preskúmaná). V dôsledku toho by lunárny zdroj hélia-3 mal stačiť obyvateľom našej planéty minimálne na ďalšie tisícročie. Hlavným problémom zostáva realita získavania hélia z lunárnej pôdy. Obsah hélia-3 v regolite je ~ 1 g na 100 ton.Na extrakciu tony tohto izotopu by sa preto malo spracovať najmenej 100 miliónov ton pôdy. Teplota, pri ktorej je možná reakcia termojadrovej fúzie, dosahuje hodnotu rádovo 108 - 109 K. Pri tejto teplote je látka v úplne ionizovanom stave, ktorý sa nazýva plazma. Konštrukcia reaktora teda predpokladá: získanie plazmy zohriatej na teploty stoviek miliónov stupňov; zachovanie konfigurácie plazmy po určitú dobu pre výskyt jadrových reakcií.

Energia jadrovej syntézy má oproti jadrovým elektrárňam dôležité výhody: využíva absolútne nerádioaktívne deutérium a izotop hélia-3 a rádioaktívne trícium, ale v objemoch, ktoré sú tisíckrát menšie ako v jadrovej energii. A v možných núdzových situáciách rádioaktívne pozadie v blízkosti termonukleárnej elektrárne nepresiahne prirodzené ukazovatele. Na jednotku hmotnosti termonukleárneho paliva sa zároveň získa približne 10 miliónov krát viac energie ako pri spaľovaní fosílneho paliva a približne 100 krát viac ako pri štiepení jadier uránu. V prirodzených podmienkach prebiehajú termonukleárne reakcie v útrobách hviezd, najmä vo vnútorných oblastiach Slnka, a slúžia ako stály zdroj energie, ktorý určuje ich vyžarovanie. Spaľovanie vodíka vo hviezdach prebieha nízkou rýchlosťou, ale gigantická veľkosť a hustota hviezd zabezpečuje nepretržité vyžarovanie obrovských prúdov energie po miliardy rokov.

Všetky chemické prvky našej planéty a vesmíru ako celku vznikli v dôsledku termonukleárnych reakcií, ktoré sa vyskytujú v jadrách hviezd. Termonukleárne reakcie vo hviezdach vedú k postupnej zmene chemického zloženia hmoty hviezd, čo spôsobuje reštrukturalizáciu hviezdy a jej postup po evolučnej ceste. Prvá etapa vývoja končí vyčerpaním vodíka v centrálnych oblastiach hviezdy. Potom po zvýšení teploty spôsobenej stláčaním centrálnych vrstiev hviezdy, zbavenej zdrojov energie, sa prejavia termonukleárne reakcie spaľovania hélia, ktoré sú nahradené spaľovaním C, O, Si a následných prvkov - až Fe a Ni. Každému stupňu vývoja hviezd zodpovedajú určité termonukleárne reakcie. Prvými v reťazci takýchto jadrových reakcií sú vodíkové termonukleárne reakcie. Postupujú dvoma spôsobmi v závislosti od počiatočnej teploty v strede hviezdy. Prvým spôsobom je vodíkový cyklus, druhým spôsobom je cyklus CNO.

Cyklus vodíka:

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

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

alebo 3He + 4He = 7Be + r + 1,59 MeV

7Be + e- = 7Li + v + 0,862 MeV alebo 7Be + 1H = 8B + r + 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

Cyklus vodíka začína kolíznou reakciou dvoch protónov (1H alebo p) s vytvorením jadra deutéria (2D). Deutérium reaguje s protónom a vytvára ľahký (lunárny) izotop hélia 3He s emisiou gama fotónu (g). Lunárny izotop 3He môže reagovať dvoma rôznymi spôsobmi: keď sa zrazia dve jadrá 3He, vytvoria sa 4He s elimináciou dvoch protónov, alebo sa 3He spojí s 4He a poskytne 7Be. Ten zas zachytí buď elektrón (e-) alebo protón a vzniká ďalšie vetvenie protónu – protónový reťazec reakcií. V dôsledku toho môže vodíkový cyklus skončiť tromi rôznymi spôsobmi I, II a III. Pre implementáciu vetvy I boli prvé dve reakcie V. c. treba realizovať dvakrát, keďže v tomto prípade zmiznú dve jadrá 3He naraz. Vo vetve III sú emitované najmä energetické neutrína pri rozpade jadra bóru 8B za vzniku nestabilného jadra berýlia v excitovanom stave (8Be *), ktoré sa takmer okamžite rozpadne na dve jadrá 4He. CNO-cyklus je súbor troch vzájomne prepojených alebo presnejšie čiastočne sa prekrývajúcich cyklov: CN, NO I, NO II. Syntéza hélia z vodíka v reakciách tohto cyklu prebieha za účasti katalyzátorov, ktorých úlohu zohrávajú malé nečistoty izotopov C, N a O v hviezdnej hmote.

Hlavná reakčná cesta CN-cyklu:

• 12C + p = 13N + r +1,95 MeV
• 13N = 13C + e + + n + 1,37 MeV
• 13C + p = 14N + r +7,54 MeV (2,7106 rokov)
• 14N + p = 15O + r +7,29 MeV (3,2108 rokov)
• 150 = 15N + e + + n + 2,76 MeV (82 sekúnd)
• 15N + p = 12C + 4He + 4,96 MeV (1,12 105 rokov)

Podstatou tohto cyklu je nepriama syntéza b-častice zo štyroch protónov pri ich postupnom zachytávaní jadrami, počnúc od 12C.

Pri reakcii so záchytom protónu jadrom 15N je možný ďalší výsledok - vytvorenie jadra 16O a nový cyklus NO I-cyklu je na svete.

Má presne rovnakú štruktúru ako slučka CN:

• 14N + 1H = 150 + g +7,29 MeV
• 150 = 15N + e + + n + 2,76 MeV
• 15N + 1H = 160 + r +12,13 MeV
• 160 + 1H = 17F + r + 0,60 MeV
• 17F = 170 + e + + n + 2,76 MeV
• 170 + 1H = 14N + 4He + 1,19 MeV

NO I-cyklus zvyšuje rýchlosť uvoľňovania energie v CN-cykle, čím sa zvyšuje počet jadier katalyzátora CN-cyklu.

Posledná reakcia tohto cyklu môže mať tiež odlišný výsledok, čo vedie k ďalšiemu cyklu NO II:

• 15N + 1H = 160 + r +12,13 MeV
• 160 + 1H = 17F + r + 0,60 MeV
• 17F = 170 + e + + n + 2,76 MeV
• 170 + 1H = 18F + r +5,61 MeV
• 180 + 1H = 15N + 4He + 3, 98 MeV

Cykly CN, NO I a NO II teda tvoria trojitý cyklus CNO.

Existuje ďalší veľmi pomalý štvrtý cyklus, cyklus OF, ale jeho úloha pri výrobe energie je zanedbateľná. Tento cyklus je však veľmi dôležitý pri vysvetľovaní pôvodu 19F.

• 170 + 1H = 18F + r + 5,61 MeV
• 18F = 180 + e + + n + 1,656 MeV
• 180 + 1H = 19F + r + 7,994 MeV
• 19F + 1H = 160 + 4He + 8,114 MeV
• 160 + 1H = 17F + r + 0,60 MeV
• 17F = 170 + e + + n + 2,76 MeV

Pri explozívnom spaľovaní vodíka v povrchových vrstvách hviezd, napríklad pri výbuchoch supernov, sa môžu vyvinúť veľmi vysoké teploty a povaha cyklu CNO sa dramaticky zmení. Prechádza do takzvaného horúceho CNO cyklu, v ktorom sú reakcie veľmi rýchle a neprehľadné.

Chemické prvky ťažšie ako 4He sa začínajú syntetizovať až po úplnom vyhorení vodíka v centrálnej oblasti hviezdy:

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

Reakcie spaľovania uhlíka:

• 12C + 12C = 20Ne + 4He +4,617 MeV
• 12C + 12C = 23Na + 1H -2,241 MeV
• 12C + 12C = 23 Mg + 1n + 2,599 MeV
• 23Mg = 23Na + e + + n + 8,51 MeV
• 12C + 12C = 24 mg + r +13,933 MeV
• 12C + 12C = 160 + 24He -0,113 MeV
• 24Mg + 1H = 25Al + g

Pri dosiahnutí teploty 5 · 109 K dochádza vo hviezdach v podmienkach termodynamickej rovnováhy k veľkému množstvu rôznych reakcií, v dôsledku ktorých vznikajú atómové jadrá až po Fe a Ni.

A schopnosť využívať jadrovú energiu na konštruktívne (atómová energia) aj deštruktívne (atómová bomba) účely sa stala možno jedným z najvýznamnejších vynálezov posledného dvadsiateho storočia. V srdci všetkej tej impozantnej sily, ktorá sa skrýva v hĺbke malého atómu, sú jadrové reakcie.

Čo sú jadrové reakcie

Jadrové reakcie vo fyzike znamenajú proces interakcie atómového jadra s iným jemu podobným alebo s rôznymi elementárnymi časticami, v dôsledku čoho dochádza k zmene zloženia a štruktúry jadra.

Trochu histórie jadrových reakcií

Prvú jadrovú reakciu v histórii urobil veľký vedec Rutherford už v roku 1919 počas experimentov na detekciu protónov v produktoch jadrového štiepenia. Vedec bombardoval atómy dusíka alfa časticami a keď sa častice zrazili, došlo k jadrovej reakcii.

A takto vyzerala rovnica tejto jadrovej reakcie. Práve Rutherfordovi sa pripisuje objav jadrových reakcií.

Nasledovali početné experimenty vedcov o realizácii rôznych typov jadrových reakcií, napríklad veľmi zaujímavou a pre vedu významná bola jadrová reakcia spôsobená bombardovaním atómových jadier neutrónmi, ktorú uskutočnil vynikajúci taliansky fyzik E. Fermi. Fermi zistil najmä to, že jadrové premeny môžu spôsobovať nielen rýchle neutróny, ale aj pomalé, ktoré sa pohybujú tepelnou rýchlosťou. Mimochodom, jadrové reakcie spôsobené vystavením teplote sa nazývajú termonukleárne. Čo sa týka jadrových reakcií pod vplyvom neutrónov, veľmi rýchlo dostali svoj rozvoj vo vede, a dokonca čo, čítajte ďalej.

Typický vzorec pre jadrovú reakciu.

Aké jadrové reakcie existujú vo fyzike

Vo všeobecnosti možno dnes známe jadrové reakcie rozdeliť na:

• štiepenie atómových jadier
• termonukleárne reakcie

Nižšie budeme písať podrobne o každom z nich.

Štiepenie atómových jadier

Štiepna reakcia atómových jadier znamená rozpad skutočného jadra atómu na dve časti. V roku 1939 nemeckí vedci O. Hahn a F. Strassmann objavili štiepenie atómových jadier, pokračujúc vo výskume svojich predchodcov, zistili, že pri bombardovaní uránu neutrónmi sa objavujú prvky strednej časti periodickej tabuľky, a to rádioaktívne izotopy tzv. bárium, kryptón a niektoré ďalšie prvky. Žiaľ, tieto poznatky boli spočiatku využívané na desivé, deštruktívne účely, pretože sa začala druhá svetová vojna a nemeckí a na druhej strane americkí a sovietski vedci sa predháňali vo vývoji jadrových zbraní (založených na jadrovej reakcii uránu), ktoré sa skončili v notoricky známych „jadrových hubách“ nad japonskými mestami Hirošima a Nagasaki.

Ale späť k fyzike, jadrová reakcia uránu počas štiepenia jeho jadra má presne rovnakú kolosálnu energiu, akú jej dokázala poskytnúť veda. Ako taká jadrová reakcia prebieha? Ako sme písali vyššie, vzniká v dôsledku bombardovania jadra atómu uránu neutrónmi, z ktorých sa jadro odštiepi a vznikne obrovská kinetická energia, rádovo 200 MeV. Čo je ale najzaujímavejšie, ako produkt jadrovej štiepnej reakcie jadra uránu zo zrážky s neutrónom vzniká niekoľko voľných nových neutrónov, ktoré sa naopak zrážajú s novými jadrami, štiepia ich atď. V dôsledku toho je viac neutrónov a ešte viac jadier uránu sa štiepi zrážkami s nimi - vzniká skutočná jadrová reťazová reakcia.

Takto to vyzerá na diagrame.

V tomto prípade musí byť multiplikačný faktor neutrónov väčší ako jednota, čo je nevyhnutná podmienka pre jadrovú reakciu tohto typu. Inými slovami, v každej ďalšej generácii neutrónov vzniknutých po rozpade jadier by ich malo byť viac ako v predchádzajúcej.

Stojí za zmienku, že podľa podobného princípu môžu jadrové reakcie pri bombardovaní prebiehať aj pri štiepení atómových jadier niektorých iných prvkov, s nuansami, že jadrá môžu byť bombardované rôznymi elementárnymi časticami a produktmi tzv. takéto jadrové reakcie sa budú líšiť, aby sme ich mohli podrobnejšie opísať, potrebujeme celú vedeckú monografiu

Fúzne reakcie

Základom termonukleárnych reakcií sú fúzne reakcie, to znamená, že v skutočnosti existuje proces opačný ako štiepenie, jadrá atómov sa nerozdeľujú na kúsky, ale navzájom sa spájajú. V tomto prípade sa tiež uvoľňuje veľké množstvo energie.

Termonukleárne reakcie, ako už názov napovedá (termo - teplota), môžu prebiehať výlučne pri veľmi vysokých teplotách. Na to, aby sa dve atómové jadrá spojili, musia sa k sebe priblížiť na veľmi blízku vzdialenosť, pričom prekonajú elektrické odpudzovanie ich kladných nábojov, čo je možné pri existencii veľkej kinetickej energie, ktorá je zase možná. pri vysokých teplotách. Treba poznamenať, že termonukleárne reakcie sa nevyskytujú, ale nielen na ňom, ale aj na iných hviezdach, možno dokonca povedať, že je to ona, ktorá leží na samom základe ich povahy akejkoľvek hviezdy.

Jadrové reakcie, video

A na záver vzdelávacie video na tému nášho článku, jadrové reakcie.

Jadrová reťazová reakcia- samoudržujúca štiepna reakcia ťažkých jadier, pri ktorej sa neutróny kontinuálne reprodukujú delením ďalších a ďalších jadier.Jadro uránu-235 sa pôsobením neutrónu rozdelí na dva rádioaktívne fragmenty nerovnakej hmotnosti, rozptyľujúce sa vysokou rýchlosťou v r. rôzne smery a dva alebo tri neutróny. Riadené reťazové reakcie vykonávané v jadrových reaktoroch alebo jadrových kotloch. V súčasnosti riadené reťazové reakcie sa uskutočňujú na izotopoch uránu-235, uránu-233 (umelo získaného z tória-232), plutónia-239 (umelo získaného z rany-238), ako aj plutónia-241. Veľmi dôležitou úlohou je oddelenie jeho izotopu, uránu-235, od prírodného uránu. Už od prvých krokov vo vývoji atómovej techniky malo rozhodujúci význam využitie uránu-235, ktorého výroba v čistej forme bola však technicky náročná, pretože urán-238 a urán-235 sú chemicky neoddeliteľné.

50. Jadrové reaktory. Perspektívy využitia termonukleárnej energie.

Nukleárny reaktor je zariadenie, v ktorom prebieha riadená jadrová reťazová reakcia sprevádzaná uvoľňovaním energie. Prvý jadrový reaktor postavili a spustili v decembri 1942 v USA pod vedením E. Fermiho. Prvým reaktorom postaveným mimo USA bol ZEEP, spustený v Kanade 25. decembra 1946. V Európe bol prvým jadrovým reaktorom zariadenie F-1, ktoré bolo uvedené do prevádzky 25. decembra 1946 v Moskve pod vedením IV. . Základnými časťami každého jadrového reaktora sú: jadro s jadrovým palivom, zvyčajne obklopené neutrónovým reflektorom, chladivo, systém riadenia reťazovej reakcie, radiačná ochrana a systém diaľkového ovládania. Nádoba reaktora podlieha opotrebovaniu (najmä ionizujúcemu žiareniu). Hlavnou charakteristikou jadrového reaktora je jeho výkon. Výkon 1 MW zodpovedá reťazovej reakcii, pri ktorej dôjde k 3 × 10 16 štiepnym udalostiam za 1 sekundu. Výskum fyziky vysokoteplotnej plazmy sa realizuje najmä v súvislosti s perspektívou vytvorenia termonukleárneho reaktora. Reaktorom sú parametrami najbližšie zariadenia typu tokamak. V roku 1968 bolo oznámené, že v zariadení T-3 bola dosiahnutá teplota plazmy desať miliónov stupňov a práve na rozvoj tohto smeru sa v posledných desaťročiach sústredilo úsilie vedcov z mnohých krajín.ITER. S plnohodnotným využitím termonukleárnych reaktorov v energetike sa počíta v druhej polovici 21. storočia.Popri tokamakoch existujú aj iné typy magnetických pascí na zadržiavanie vysokoteplotnej plazmy, napríklad tzv. . Vďaka množstvu funkcií môžu držať vysokotlakovú plazmu, a preto majú dobré vyhliadky ako silné zdroje termonukleárnych neutrónov a v budúcnosti ako termonukleárne reaktory.

Úspechy dosiahnuté v posledných rokoch v Ústave jadrovej fyziky Sibírskej pobočky Ruskej akadémie vied pri štúdiu moderných osovo symetrických otvorených pascí naznačujú, že tento prístup je sľubný. Tieto štúdie pokračujú a zároveň INP pracuje na projekte zariadenia novej generácie, kde bude možné demonštrovať parametre plazmy blízke parametrom reaktora.

Zo štyroch hlavných zdrojov jadrovej energie sa v súčasnosti priemyselne uplatnili len dva: energia rádioaktívneho rozpadu sa využíva v súčasných zdrojoch a štiepna reťazová reakcia prebieha v atómových reaktoroch. Tretí zdroj jadrovej energie – anihilácia elementárnych častíc ešte neopustila ríšu fantázie. Štvrtý zdroj je riadená termonukleárna fúzia, CTS, je na dennom poriadku. Tento zdroj z hľadiska jeho potenciálu je síce menší ako tretí, ale výrazne prevyšuje druhý.

Uskutočniť termonukleárnu fúziu v laboratórnych podmienkach je celkom jednoduché, ale zatiaľ nebolo možné dosiahnuť reprodukciu energie. Práce v tomto smere však prebiehajú, vyvíjajú sa aj rádiochemické metódy, predovšetkým technológie na výrobu tríciového paliva pre zariadenia CTS.

Táto kapitola skúma niektoré rádiochemické aspekty termonukleárnej fúzie a pojednáva o perspektívach využitia zariadení pre CTS v jadrovej energetike.

Riadená termonukleárna fúzia- reakcia fúzie ľahkých atómových jadier na ťažšie jadrá, ku ktorej dochádza pri ultravysokej teplote a je sprevádzaná uvoľnením obrovského množstva energie. Na rozdiel od výbušnej termonukleárnej fúzie (používanej vo vodíkovej bombe) je riadená. V hlavných jadrových reakciách, ktoré sa plánujú použiť na uskutočnenie riadenej termonukleárnej fúzie, sa budú používať -H a 3H a vo vzdialenejšej budúcnosti 3 He a B.

Nádeje na riadenú termonukleárnu fúziu sú spojené s dvoma okolnosťami: i) predpokladá sa, že hviezdy existujú v dôsledku stacionárnej termonukleárnej reakcie a 2) nekontrolovaný termonukleárny proces sa pomerne ľahko realizoval pri výbuchu vodíkovej bomby. Zdá sa, že neexistuje žiadna zásadná prekážka na udržanie riadenej reakcie jadrovej fúzie. Intenzívne pokusy o implementáciu CNF v laboratórnych podmienkach so získaním energetického zisku však skončili úplným neúspechom.

TCF sa však v súčasnosti považuje za dôležité technologické riešenie zamerané na nahradenie fosílnych palív pri výrobe energie. Celosvetový dopyt po energii vyžadujúci zvýšenie výroby elektriny a ubúdanie neobnoviteľných surovín podnecuje hľadanie nových riešení.

Termonukleárne reaktory využívajú energiu uvoľnenú pri fúzii ľahkých atómových jedov. Ako pripomienka:

Fúzna reakcia jadier trícia a deutéria je sľubná pre realizáciu riadenej termonukleárnej fúzie, pretože jej prierez je pomerne veľký aj pri nízkych energiách. Táto reakcia poskytuje špecifickú výhrevnosť 3,5 ± 11 J/g. Najväčší prierez má hlavná reakcia D + T = n + a o t ah=5 stodola v rezonancii pri energii deuterónu E nSh x = 0,108 MeV, v porovnaní s reakciami D + D = n + 3He a, „a * = 0, i05 stodola; E max = 1,9 MeV, D + D = p + T asi max = 0,09 stodola; E max = 2,0 MeV, ako aj s reakciou 3He + D = p + a a m ax = 0,7 barna; Еотах = 0,4 MeV. Pri poslednej reakcii sa uvoľní 18,4 MeV. V reakcii (3) súčet energií n + a rovná sa 17,6 MeV, energia generovaných neutrónov?„= 14,1 MeV; a energia a-častíc, ktoré vznikli, je 3,5 MeV. Ak sú rezonancie v reakciách T (d, n) a a :) He (d, p) a skôr úzke, potom v reakciách D (d, n) 3He a D (d, p) T sú veľmi široké rezonancie s veľkými hodnotami prierezy v oblasti od 1 do 10 MeV a lineárny rast od 0,1 MeV do 1 MeV.

Komentujte. Problém s ľahko zápalným DT palivom je v tom, že trícium sa prirodzene nevyskytuje a musí sa získavať z lítia v množiteľskej vrstve fúzneho reaktora; trícium je rádioaktívne (Ti / 2 = 12,6 roka), systém DT-reaktora obsahuje od 10 do 10 kg trícia; 80 % energie pri DT reakcii sa uvoľní pomocou 14-MeV neutrónov, ktoré indukujú umelú rádioaktivitu v štruktúrach reaktora a spôsobujú radiačné poškodenie.

Na obr. 1 sú znázornené energetické závislosti prierezov pre reakcie (1 - h). Grafy pre prierezy reakcií (1) a (2) sú prakticky rovnaké - s rastúcou energiou sa prierez zväčšuje a pri vysokých energiách má pravdepodobnosť reakcie tendenciu ku konštantnej hodnote. Prierez pre reakciu (3) sa najskôr zväčšuje, dosahuje maximum u barn pri energiách rádovo 90 MeV a potom klesá so zvyšujúcou sa energiou.

Ryža. 1. Prierezy niektorých termonukleárnych reakcií v závislosti od energie častíc v systéme ťažiska: 1 - jadrová reakcia (3); 2 - reakcie (1) a (2).

V dôsledku veľkého prierezu rozptylu pri bombardovaní jadier trícia zrýchlenými deuterónmi môže byť energetická bilancia procesu termonukleárnej fúzie v D - T reakcii negatívna, pretože zrýchlenie deuterónov vyžaduje viac energie, ako sa uvoľní pri fúzii. Pozitívna energetická bilancia je možná, ak sú bombardujúce častice po elastickej zrážke schopné opätovne sa zúčastniť reakcie. Na prekonanie elektrického odpudzovania musia mať jadrá vysokú kinetickú energiu. Tieto podmienky môžu byť vytvorené vo vysokoteplotnej plazme, v ktorej sú atómy alebo molekuly v plne ionizovanom stave. Napríklad DT reakcia začína prebiehať až pri teplotách nad 10 8 K. Len pri takýchto teplotách sa uvoľní viac energie na jednotku objemu a za jednotku času, ako sa spotrebuje. Pretože jedna DT fúzna reakcia predstavuje ~ 105 bežných jadrových zrážok Problém je, že CNF spočíva v riešení dvoch problémov: zahriatie látky na požadované teploty a jej udržanie po dobu dostatočnú na „spálenie“ značnej časti termonukleárneho paliva.

Predpokladá sa, že riadená termonukleárna fúzia môže byť realizovaná, ak je splnené Lawsonovo kritérium (lt> 10'4 s cm-3, kde P - hustota vysokoteplotnej plazmy, t je jej retenčný čas v systéme).

Ak je toto kritérium splnené, energia uvoľnená počas CCF prevyšuje energiu zavedenú do systému.

Plazma sa musí uchovávať v danom objeme, pretože plazma sa vo voľnom priestore okamžite rozpína. Kvôli vysokým teplotám nie je možné umiestniť plazmu do zásobníka zo žiadneho

materiál. Na obmedzenie plazmy je potrebné použiť vysoko pevné magnetické pole, ktoré sa vytvára pomocou supravodivých magnetov.

Ryža. 2. Schematický diagram tokamaku.

Ak si nestanovíme cieľ získať energetický zisk, potom je celkom jednoduché vykonať TCF v laboratórnych podmienkach. Na tento účel stačí spustiť ampulku s deuteridom lítia do kanála akéhokoľvek pomalého reaktora pracujúceho na reakcii štiepenia uránu (môžete použiť lítium s prírodným izotopovým zložením (7% 6 Li), ale je lepšie, ak je obohatený o stabilný izotop 6 Li). Pod vplyvom tepelných neutrónov dochádza k nasledujúcej jadrovej reakcii:

V dôsledku tejto reakcie vznikajú „horúce“ atómy trícia. Energia spätného rázu atómu trícia (~ 3 MeV) je dostatočná na reakciu interakcie trícia s deutériom v LiD:

Táto metóda nie je vhodná na energetické účely: spotreba energie na proces prevyšuje uvoľnenú energiu. Preto „musíme hľadať iné možnosti implementácie TCB, možnosti, ktoré poskytujú veľký energetický zisk.

TCF s energetickým ziskom sa pokúšajú realizovať buď kvázistacionárne (m> 1 s, tg> yui cm "O, alebo v impulzných systémoch (t * io -8 s, n> u 22 cm * h). V prvom (tokamak, stelarátor, zrkadlový lapač atď.) sa plazmové zadržiavanie a tepelná izolácia vykonáva v magnetických poliach rôznych konfigurácií. V pulzných systémoch sa plazma vytvára, keď je pevný terč (zrná zmesi deutéria a trícia) ožiarený sústredeným žiarením z výkonného lasera alebo elektrónových lúčov: keď lúč malých pevných terčov zasiahne ohnisko, spustí sa séria termonukleárnych mikrovýbuchov. vyskytuje.

Spomedzi rôznych komôr na zadržiavanie plazmy je sľubná toroidná komora. V tomto prípade sa plazma vytvára vo vnútri toroidnej komory pomocou bezelektródového prstencového výboja. V tokamaku je prúd indukovaný v plazme ako sekundárne vinutie transformátora. Magnetické pole, ktoré drží plazmu, sa vytvára ako v dôsledku prúdu pretekajúceho vinutím okolo komory, tak v dôsledku prúdu indukovaného v plazme. Na získanie stabilnej plazmy sa používa vonkajšie pozdĺžne magnetické pole.

Termonukleárny reaktor je zariadenie na výrobu energie v dôsledku reakcií fúzie ľahkých atómových jadier, ktoré sa vyskytujú v plazme pri veľmi vysokých teplotách (> 10 8 K). Hlavnou požiadavkou, ktorú musí fúzny reaktor spĺňať, je uvoľnenie energie v dôsledku toho

termonukleárne reakcie viac ako kompenzovali výdaj energie z vonkajších zdrojov na udržanie reakcie.

Ryža. h. Hlavné komponenty reaktora pre riadenú termonukleárnu fúziu.

Termonukleárny reaktor typu TO-KAMAK (toroidná komora s magnetickými cievkami) pozostáva z vákuovej komory, ktorá tvorí kanál, v ktorom cirkuluje plazma, magnetov, ktoré vytvárajú pole a plazmových vykurovacích systémov. To je sprevádzané vákuovými čerpadlami, ktoré neustále odčerpávajú plyny z kanála, systémom dodávky paliva pri jeho spaľovaní a divertorom - systémom, prostredníctvom ktorého sa z reaktora odstraňuje energia získaná v dôsledku termonukleárnej reakcie. Toroidná plazma je vo vákuovom obale. a-Častice vznikajúce v plazme v dôsledku termonukleárnej fúzie a nachádzajúce sa v nej zvyšujú jej teplotu. Neutróny prenikajú cez stenu vákuovej komory do krycej zóny obsahujúcej tekuté lítium alebo zlúčeninu lítia obohatenú o 6 Li. Pri interakcii s lítiom sa kinetická energia neutrónov premieňa na teplo a súčasne vzniká trícium. Prikrývka je umiestnená v špeciálnom obale, ktorý chráni magnet pred vychádzajúcimi neutrónmi, y-žiarením a tepelnými tokmi.

V inštaláciách tokamaku sa plazma generuje vo vnútri toroidnej komory pomocou bezelektródového prstencového výboja. Na tento účel sa vo zväzku plazmy vytvára elektrický prúd a zároveň má svoje magnetické pole – samotný zväzok plazmy sa stáva magnetom. Teraz je možné pomocou vonkajšieho magnetického poľa určitej konfigurácie zavesiť plazmový oblak v strede komory a nedovoliť mu prísť do kontaktu so stenami.

Divertor - súprava zariadení (špeciálne poloidné magnetické cievky; panely v kontakte s plazmou - plazmové neutralizátory), pomocou ktorých je oblasť priameho kontaktu steny s plazmou maximálne odstránená z hlavnej horúcej plazmy. Slúži na odvádzanie tepla z plazmy vo forme prúdu nabitých častíc a na odčerpávanie reakčných produktov neutralizovaných na divertorových doskách: hélium a protium. Čistí plazmu od nečistôt, ktoré interferujú so syntéznou reakciou.

Fúzny reaktor sa vyznačuje faktorom zosilnenia výkonu, ktorý sa rovná pomeru tepelného výkonu reaktora k výkonu jeho výrobných nákladov. Tepelný výkon reaktora je:

• - z výkonu uvoľneného počas termonukleárnej reakcie v plazme;
• - z energie, ktorá sa privádza do plazmy na udržanie teploty spaľovania termonukleárnej reakcie alebo stacionárneho prúdu v plazme;
• - z energie uvoľnenej v obale - obal obklopujúci plazmu, v ktorom sa využíva energia termonukleárnych neutrónov a ktorý slúži na ochranu magnetických cievok pred radiačnými poruchami. Prikrývka fúzneho reaktora - jedna z hlavných častí termonukleárneho reaktora, špeciálny plášť, ktorý obklopuje plazmu, v ktorej prebiehajú termonukleárne reakcie a ktorá slúži na využitie energie termonukleárnych neutrónov.

Prikrývka pokrýva plazmový prstenec zo všetkých strán a hlavní nositelia energie zrodenej počas fúzie D-T - 14-MeV neutróny - sa vzdávajú svojej pokrývky) ", pričom ho zahrievajú. Prikrývka obsahuje výmenníky tepla, cez ktoré prechádza voda. V elektrárni para otáča parnú turbínu a tá otáča rotor generátora.

Hlavnou úlohou prikrývky je odoberať energiu, premieňať ju na teplo a prenášať do systémov na výrobu energie, ako aj chrániť operátorov a životné prostredie pred ionizujúcim žiarením generovaným fúznym reaktorom. Za pokrývkou v termonukleárnom reaktore sa nachádza vrstva radiačnej ochrany, ktorej funkciou je ďalej zoslabovať tok neutrónov a y-kván vznikajúcich pri reakciách s hmotou, aby sa zabezpečila prevádzkyschopnosť elektromagnetického systému. Nasleduje biologické tienenie, ktoré môže sledovať personál závodu.

"Aktívna" pokrývka je množiteľský reaktor určený na výrobu jednej zo zložiek termonukleárneho paliva. V reaktoroch spotrebúvajúcich trícium sú množivé materiály (zlúčeniny lítia) zahrnuté v oblasti plodenia, aby sa zabezpečila efektívna výroba trícia.

Keď fúzny reaktor pracuje na deutérium-tríciové palivo, je potrebné doplniť množstvo paliva (D + T) v reaktore a odstrániť 4He z plazmy. V dôsledku reakcií v plazme dochádza k spaľovaniu trícia a väčšina fúznej energie sa prenáša na neutróny, pre ktoré je plazma transparentná. To vedie k potrebe umiestniť medzi plazmu a elektromagnetický systém špeciálnu zónu, v ktorej sa reprodukuje horľavé trícium a pohlcuje sa hlavná časť energií neutrónov. Takáto zóna sa nazýva chovateľská deka. Reprodukuje trícium spálené v plazme.

Trícium v ​​oblasti môže byť vyrobené ožiarením lítia neutrónovými tokmi jadrovými reakciami: 6 Li (n, a) T + 4,8 MeV a 7 Li (n, n'a) - 2,4 MeV.

Pri výrobe trícia z lítia je potrebné mať na pamäti, že prírodné lítium pozostáva z dvoch izotopov: 6 Li (7,52 %) a 7 Li (92,48 %). Prierez pre absorpciu tepelných neutrónov čistými 6 Li 0 = 945 barn a prierez pre aktiváciu reakciou (n, p) je 0,028 barn. Pre prírodné lítium je prierez na extrakciu neutrónov vznikajúcich pri štiepení uránu 1,01 barna a prierez na absorpciu tepelných neutrónov je asi a = 70,4 barna.

Energetické spektrá γ-žiarenia pri radiačnom záchyte tepelných neutrónov 6 Li sú charakterizované týmito hodnotami: priemerná energia γ-kvantov emitovaných na jeden absorbovaný neutrón, v energetickom rozsahu 6^ -7 MeV = 0,51 MeV, v energetický rozsah 7-8 MeV - 0 , 94 MeV. Celková energia

V termonukleárnom reaktore bežiacom na palivo D-T v dôsledku reakcie:

γ-žiarenie na jeden neutrónový záchyt sa rovná 1,45 MeV. Pre 7 Li je absorpčný prierez 0,047 barn a aktivačný prierez je 0,033 barn (pri energiách neutrónov nad 2,8 MeV). Prierez extrakcie štiepnych neutrónov LiH prírodného zloženia = 1,34 barn, kovové Li - 1,57 barn, LiF - 2,43 barn.

Vytvárajú sa termonukleárne neutróny, ktoré opúšťajú objem plazmy a vstupujú do oblasti plodenia obsahujúcej lítium a berýlium, kde prebiehajú tieto reakcie:

Termonukleárny reaktor teda bude spaľovať deutérium a lítium a v dôsledku reakcií vznikne inertný plyn hélium.

Pri D-T reakcii v plazme dochádza k vyhoreniu trícia a vzniku neutrónu s energiou 14,1 MeV. V prikrývke je potrebné, aby tento neutrón produkoval aspoň jeden atóm trícia na pokrytie svojich strát v plazme. Miera reprodukcie trícia Komu(„množstvo trícia vytvoreného v oblasti pripadajúcej na jeden dopadajúci termonukleárny neutrón) závisí od spektra neutrónov v oblasti oblasti, veľkosti absorpcie a úniku neutrónov. do > 1,05.

Ryža. 4. Závislosti prierezu jadrových reakcií výroby trícia od energie neutrónu: 1 - reakcia 6 Li (n, t) ‘He, 2 - reakcia 7 Li (n, n’, 0 4 He.

Jadro 6 Li má veľmi veľký absorpčný prierez tepelných neutrónov s tvorbou trícia (953 barn pri 0,025 eV). Pri nízkych energiách sa prierez absorpcie neutrónov v Li riadi zákonom (l / u) a v prípade prírodného lítia dosahuje pre tepelné neutróny hodnotu 71 barn. Pre 7 Li je prierez pre interakciu s neutrónmi iba 0,045 barna. Preto, aby sa zvýšila produktivita chovateľa, prírodné lítium by malo byť obohatené o izotop 6Li. Avšak zvýšenie obsahu 6Li v zmesi izotopov má malý vplyv na rýchlosť reprodukcie trícia: došlo k zvýšeniu o 5 % so zvýšením obohatenia izotopom 6Li na 50 % v zmesi. Pri reakcii 6 Li (n, T) »Nebudú absorbované všetky spomalené neutróny. Okrem silnej absorpcie v tepelnej oblasti, malá absorpcia (

Závislosť prierezu pre reakciu 6 Li (n, T) 4 He od energie neutrónov je na obr. 7. Ako je typické pre mnohé iné jadrové reakcie, prierez pre reakciu 6 Li (n, f) 4 He klesá so zvyšujúcou sa energiou neutrónov (s výnimkou rezonancie pri energii 0,25 MeV).

Reakcia s tvorbou trícia na izotope Li prebieha na rýchlych neutrónoch pri energii „> 2,8 MeV. V tejto reakcii

vzniká trícium a nedochádza k strate neutrónov.

Jadrová reakcia na 6 Li nemôže poskytnúť rozšírenú reprodukciu trícia a iba kompenzuje vyhorené trícium

Reakcia na 1 1 vedie k objaveniu sa jedného jadra trícia na každý absorbovaný neutrón a k regenerácii tohto neutrónu, ktorý sa potom absorbuje počas spomaľovania a poskytuje ďalšie jadro trícia.

Komentujte. V prirodzenom Li je rýchlosť reprodukcie trícia Komu"2. Pre Li, LiFBeF 2, Li 2 0, LiF, Y ^ Pbvs k = 2,0; 0,95; 1,1; 1,05 a i, 6, v tomto poradí. Roztavená soľ LiF (66 %) + BeF 2 (34 %) sa nazýva mucha ( FLiBe), jeho použitie je vhodnejšie kvôli bezpečnostným podmienkam a zníženiu strát trícia.

Keďže nie každý neutrón DT reakcie sa podieľa na tvorbe atómu trícia, je potrebné primárne neutróny (14,1 MeV) znásobiť reakciou (n, 2n) alebo (n, sn) na prvkoch, ktoré majú dostatočne veľký prierez pri interakcii rýchlych neutrónov, napríklad na Be, Pb, Mo, Nb a mnohých ďalších materiáloch s Z> 25. Pre berýlium je prahová hodnota (n, 2 P) reakcie 2,5 MeV; pri 14 MeV 0 = 0,45 barna. V dôsledku toho je možné dosiahnuť vo variantoch s tekutým alebo keramickým lítiom (LiA10 2). do* 1,1 + 1,2. Ak je reaktorová komora obklopená uránovou vrstvou, môže sa množenie neutrónov výrazne zvýšiť v dôsledku štiepnych reakcií a (n, 2n), (n, zn) reakcií.

Poznámka 1. Indukovaná aktivita lítia pri ožiarení neutrónmi prakticky chýba, keďže vzniknutý rádioaktívny izotop 8 Li (cr-žiarenie s energiou 12,7 MeV a /? - žiarenie s energiou ~ 6 MeV) má veľmi krátky polčas rozpadu - 0,875 s. Nízka aktivácia lítia a krátky polčas uľahčujú biologickú ochranu zariadenia.

Poznámka 2. Aktivita trícia obsiahnutého v obale termonukleárneho DT reaktora je ~ * 10 Ci, preto použitie DT paliva nevylučuje teoretickú možnosť havárie v rozsahu niekoľkých percent havárie v Černobyle (únik bola 5107 Ci). Uvoľňovanie trícia s tvorbou T 2 0 môže viesť k rádioaktívnemu spadu, prenikaniu trícia do podzemných vôd, vodných útvarov, živých organizmov, rastlín s akumuláciou v konečnom dôsledku v potravinách.

Vážnym problémom je výber materiálu a stav agregácie chovateľa. Živný materiál by mal poskytovať vysoké percento premeny lítia na trícium a jeho ľahkú extrakciu na následný prenos do systému prípravy paliva.

Hlavné funkcie chovateľskej prikrývky sú: vytvorenie plazmovej komory; produkcia trícia s koeficientom k> i; transformácia kinetickej energie neutrónu na teplo; využitie tepla generovaného v oblasti pri prevádzke termonukleárneho reaktora; radiačná ochrana elektromagnetického systému; biologická ochrana pred žiarením.

Termonukleárny reaktor využívajúci palivo D-T, v závislosti od materiálu oblasti plodenia, môže byť „čistý“ alebo hybridný. Plocha „čistého“ termonukleárneho reaktora obsahuje Li, v ktorom sa pôsobením neutrónov získava trícium a termonukleárna reakcia sa zvýši zo 17,6 MeV na 22,4.

MeV. V plášti hybridného ("aktívneho") termonukleárneho reaktora vzniká nielen trícium, ale sú tu aj zóny, v ktorých je umiestnená skládka 2 z 8 a získava sa 2 39 Pu. V tomto prípade sa v oblasti prikrývky uvoľní energia rovnajúca sa 140 MeV na neutrón. Energetická účinnosť hybridného fúzneho reaktora je šesťkrát vyššia ako u čistého reaktora. Zároveň sa dosiahne lepšia absorpcia termonukleárnych neutrónov, čo zvyšuje bezpečnosť inštalácie. Prítomnosť štiepnych rádioaktívnych látok však vytvára radiačné prostredie podobné tomu, ktoré existuje v jadrových štiepnych reaktoroch.

Ryža. 5.

Existujú dva koncepty čistej chovateľskej plochy, založené na použití tekutých materiálov obsahujúcich trícium alebo na použití pevných materiálov obsahujúcich lítium. Varianty prevedenia prikrývok súvisia s typom vybraných nosičov tepla (tekutý kov, roztavená soľ, plyn, organické látky, voda) a triedou možných konštrukčných materiálov.

V tekutej forme prikrývky je lítium nosičom tepla a trícium je úrodný materiál. Plochá časť pozostáva z prvej steny, množiteľskej zóny (roztavená lítiová soľ, reflektor (oceľ alebo volfrám) a svetelná zložka ochrany (napríklad hydrid titánu).Hlavným znakom samostatne chladenej lítiovej pokrývky je absencia prídavného moderátora a množiteľa neutrónov V prikrývke s tekutým množiteľom môžete použiť tieto soli: Li 2 BeF 4 ( T pl = 459 °), LiBeF 3 (T wx.= 380 °), FLiNaBe (7^ = 305-320 °). Spomedzi uvedených solí má Li 2 BeF 4 najnižšiu viskozitu, ale najvyššiu T wl. Perspektívnym je eutektikum Pb-Li a tavenina FLiNaBe, ktorá funguje aj ako samochladič. Ako rozmnožovače neutrónov u takéhoto množiteľa slúžia granule Spherical Be s priemerom 2 mm.

V prikrývke s pevným množiteľom sa ako množiteľský materiál používa keramika s obsahom lítia a ako množiteľ neutrónov berýlium. Zloženie takejto prikrývky zahŕňa také prvky, ako je prvá stena s kolektormi chladiacej kvapaliny; zóna násobenia neutrónov; zóna rozmnožovania trícia; chladiace kanály pre chovné a reprodukčné zóny trícia; ochrana železnej vody; upevňovacie prvky prikrývky; sieť na prívod a odvod chladiva a nosného plynu trícia. Konštrukčné materiály - zliatiny vanádu a feritická alebo ferito-martenzitická oceľ. Tienenie proti žiareniu je vyrobené z oceľových plechov. Ako chladivo sa používa plynné hélium pod tlakom uMPa so vstupnou teplotou 300 0, výstupnou teplotou chladiva 650 0.

Rádiochemickou úlohou je oddeliť, vyčistiť a vrátiť trícium do palivového cyklu. Zároveň je dôležitý výber funkčných materiálov pre systémy na regeneráciu zložiek paliva (šľachtiteľské materiály). Materiál šľachtiteľa (šľachtiteľa) musí zabezpečiť odvod energie termonukleárnej fúzie, tvorbu trícia a jeho efektívnu extrakciu pre následné čistenie a transformáciu na palivo reaktora. Na tento účel je potrebný materiál s vysokou teplotou, radiáciou a mechanickou odolnosťou. Nemenej dôležité sú difúzne vlastnosti materiálu, ktoré zaisťujú vysokú mobilitu trícia a v dôsledku toho dobrú účinnosť extrakcie trícia zo množiteľského materiálu pri relatívne nízkych teplotách.

Pracovnými látkami deky môžu byť: keramika Li 4 Si0 4 (alebo Li 2 Ti0 3) - úrodný materiál a berýlium - množiteľ neutrónov. Šľachtiteľ aj berýlium sa používajú vo forme vrstvy monodisperzných kamienkov (granule s tvarom blízkym sférickému). Priemery granúl Li4Si04 a Li2Ti03 sa pohybujú v rozsahu 0,2 až 10,6 mm, respektíve približne 8 mm, a granule berýlia majú priemer 1 mm. Podiel efektívneho objemu granulovaného lôžka je 63 %. Pre reprodukciu trícia je keramický šľachtiteľ obohatený o izotop 6 Li. Typické úrovne obohatenia pre 6 Li: 40 % pre Li4Si04 a 70 % pre Li2Ti03.

V súčasnosti je najperspektívnejším metatitanát lítny 1L 2 TiU 3 vzhľadom na relatívne vysokú rýchlosť uvoľňovania trícia pri relatívne nízkych teplotách (od 200 do 400 0), radiačnú a chemickú odolnosť. Ukázalo sa, že granuly titaničitanu lítneho obohatené na 96 % 6 Li v podmienkach intenzívneho ožiarenia neutrónmi a tepelného pôsobenia umožňujú vytvárať lítium takmer konštantnou rýchlosťou počas dvoch rokov. Extrakcia trícia z neutrónmi ožiarenej keramiky sa uskutočňuje programovaným ohrevom množiteľského materiálu v kontinuálnom čerpacom režime.

Predpokladá sa, že v jadrovom priemysle môžu byť termonukleárne fúzne zariadenia použité v troch smeroch:

• - hybridné reaktory, v ktorých oblasť plodenia obsahuje štiepne nuklidy (urán, plutónium), ktorých štiepenie je riadené silným tokom vysokoenergetických (14 MeV) neutrónov;
• - iniciátory horenia v elektrojadrových podkritických reaktoroch;
• - transmutácia rádionuklidov nebezpečných pre životné prostredie s dlhou životnosťou s cieľom neutralizovať rádioaktívny odpad.

Vysoká energia termonukleárnych neutrónov poskytuje veľké možnosti výberu energetických skupín neutrónov pre spaľovanie konkrétneho rádionuklidu v rezonančnej oblasti prierezov.