Kirish Boshqariladigan termoyadro reaksiyalari

Boshqariladigan termoyadro reaksiyalari
Barcha rivojlangan davlatlar tadqiqotchilari kelayotgan energiya inqirozini bartaraf etish umidlarini boshqariladigan termoyadroj reaktsiyasiga bogʻlashadi. Bunday reaksiya - deuterium va tritiydan olingan helium sintezi millionlab yillardan beri Quyoshda bo'lib o'tmoqda. Yer yuzidagi sharoitlarda esa uni dev va juda qimmat lazer tizimlari, tokamaklar va stellaratorlarda ellik yildan beri amalga oshirishga harakat qilishmoqda. Biroq, bu qiyin muammoni hal qilishning boshqa usullari mavjud va termoyadroviy termoyadroviy fusion uchun ulkan tokamaklar o'rniga, ehtimol, juda ixcham va arzon to'qnashuvdan - to'qnashuvli chiroq tezlatgichidan foydalanish mumkin bo'ladi.
Tokamak ishlashi uchun juda oz miqdorda litiy va deuterium kerak. Misol uchun, 1 GVt elektr quvvatiga ega bo'lgan reaktor yiliga taxminan 100 kg deuterium va 300 kg litiy yoqadi. Agar barcha fusion elektr tarmoqlari 10 trillion tonna ishlab chiqaradi deb hisoblasak. yiliga kWh elektr energiyasi, ya'ni bugungi kunda dunyodagi barcha elektr tarmoqlari ishlab chiqarsa, dunyodagi deuterium va litiy zaxiralari insoniyatni ko'p million yillar davomida energiya bilan ta'minlash uchun etarli bo'ladi.
Deuterium va litiy birlashishidan tashqari, ikkita deuterium atomi birlashganda sof quyosh fusioni mumkin. Ushbu reaktsiyani o'zlashtirishda energiya muammolari darhol va abadiy hal qilinadi.
Boshqariluvchi termoyadroviy termoyadroviy termoyadroviy
Termoyadroviy termoyadroviy birlashishining o'ziga xos xususiyati deyarli to'liq radiatsiya xavfsizligi hisoblanadi. Mutaxassislarning ta'kidlashicha, radiatsiya xavfi bo'yicha 1 GW issiqlik quvvatiga ega bo'lgan fusion elektr stansiyasi 1 kVt quvvatga ega uran fission reaktoriga teng - oddiy universitet tadqiqot reaktori. Bu holat koʻp jihatdan etakchi davlatlar hukumatlarining ushbu sohadagi yaqin xalqaro hamkorlikka ega boʻlgan termoyadt energiyasiga diqqat-eʼtiborini sabab boʻlayotgan hal qiluvchi omildir. Yaqin kelajakda insoniyatni yaqinlashib kelayotgan energiya inqirozidan qutqarish uchun maxsus xalqaro dastur yaratildi.
1990-yillarning boshlariga qadar termoyadroviy fusion sohasida hech qanday hamkorlik haqida gap bo'lmagan. Ikki superqudratning barcha sa'y-harakatlari tobora kuchli termoyadr qurollarini yaratishga qaratilgan edi va energiya muammolari "yon mahsulot" sifatida ko'rib chiqildi. Shunga qaramay, 1954 yilda SSSRda Leontovych boshchiligida Atom energetikasi instituti birinchi Tokamakni qurishga muvaffaq bo'ldi. 1960-yillarning o'rtalarida termoyadroviy reaksiyalar kuchining oshishi boshqariladigan termoyadroviy birlashish muammosini jiddiy "itarishga" imkon yaratdi.
Chernobil fojiasi, Harbiy yadro reaktorlarida ham, Rossiyada ham, AQShda ham ko'plab halokatlar, eng asosiysi, dunyodagi umumiy siyosiy vaziyatning tubdan o'zgarishi natijasida 1998 yilda Rossiya, AQSh, Yevropa mamlakatlari va Yaponiya ishtirokida deuterium va litiy aralashmasining uzoq muddatli termoyadro yonishi uchun mo'ljallangan ITER Tokamak reaktorining muhandislik dizayni yakunlandi. 5 milliard dollarga teng ITER dasturi. 2010-2015 yillarda 1 GVt quvvatga ega eksperimental Tokamak qurilishini nazarda tutadi va 2030-2035 yillarda elektr energiyasini ishlab chiqarishga qodir dunyodagi birinchi namoyish termoyadyo reaktorini qurishni yakunlash rejalashtirilgan va shu bilan bizni "yetkazib berish" muammosidan qutqaradi.
Jismoniy nuqtai nazardan, muammo osongina shakllantiriladi. O'z-o'zidan ta'minlangan yadroviy fusion reaktsiyani amalga oshirish uchun ikkita shart bajarilishi va yetarli bo'lishi kerak.
1. Reaksiyaga jalb qilingan yadrolarning energiyasi kamida 10 keV bo'lishi kerak. Yadroviy fusion boshlanishi uchun reaksiyada ishtirok etuvchi yadrolar yadro kuchlari maydoniga tushishi kerak, oralig'i ^10-12-10-13 sm. Biroq atom yadrolari musbat elektr zaryadiga ega bo'lib, aynan shu nomdagi zaryadlar qaytariladi. Yadroviy kuchlar harakatining o'z navbatida Koulomb repulsion energiyasi 10 keV tartibiga kiradi . Ushbu to'siqni yengib o'tish uchun to'qnashuvdagi yadrolar kinetik energiyaga ega bo'lishi kerak, kamida bu qiymatdan kam emas.
2. Reaksiyaga kirishayotgan yadrolar konsentratsiyasining mahsuli va ular belgilangan energiyani saqlaydigan saqlash vaqti kamida^{10 14} sm-3 bo'lishi kerak. Bu holat - Lawson mezon deb atalgan mezon reaktsiyaning energiya rentabelligi chegarasini belgilaydi. Reaksiyani boshlash uchun energiya sarfini hech bo'lmaganda qoplash uchun fusion reaksiyada chiqarilgan energiya uchun atom yadrolari ko'plab to'qnashuvlarni boshdan kechirishi kerak. Har bir to'qnashuvda, bunda deuterium (D) va tritiy (T) o'rtasida sintez reaksiyasi sodir bo'ladi, 17,6 MeV energiya chiqariladi, ya'ni taxminan 3 ∙ 10-12 J. Masalan, agar yondiruvga 10 MJ energiya sarflansa, u holda unda kamida 3 ∙ 10 18 juft D-T ishtirok etsa, reaksiya foydasiz bo'ladi. Va buning uchun reaktorda juda zich yuqori energiyali plazma uzoq vaqt saqlanishi kerak. Bu holat Lawson mezoni bilan ifodalanadi.
Agar ikkala talabni bir vaqtning o'zida bajarish mumkin bo'lsa, boshqariladigan termoyadroviy fusion muammosi hal qilinadi.
Sxematik jihatdan termoyadroviy reaktorni "qora quti" shaklida ifodalash mumkin, unga yoqilg'i (deuterium va tritiy) va E1 energiyasi isitish uchun kiritiladi. "Qutb" dan reaksiyaning mahsulotlari - A-zarrachalar, neytronlar va E2 sintezi paytida chiqarilgan energiya, bu sarflangan E1 dan katta bo'lishi kerak.
Biroq, ushbu jismoniy muammoning texnik jihatdan amalga oshirilishi juda katta qiyinchiliklarga duch kelmoqda. Axir 10 keV ning energiyasi 100 million daraja haroratdir. Ushbu haroratdagi modda soniyaning hatto fraktsiyalari uchun faqat vakuumda saqlanishi mumkin, uni o'rnatish devorlaridan ajratib turadi.
Hozirgi vaqtda boshqariladigan sintez muammosining yechimi ikki asosiy yo'nalishda rivojlanmoqda: plazmaning magnit qamrovi (tokamaklar, stellaratorlar va boshqalar) va inertsial qamrov (lazer sintezi).
kuchli lazer pulses tomonidan yonib termoyadroviy mikroexplosions tomonidan lazer sintezi yaqinda eng jadal rivojlanayotgan bo'ldi. Bu erda nurni kamaytirish, yonilg'i kapsulalarini in'ektsiya qilish, plazma diagnostikasi va boshqalar texnikasida katta yutuqlarga erishildi. Nuqta kichik - kerakli parametrlarga ega bo'lgan va puls energiyasi 1-10 MJ bo'lgan lazer tizimi talab qilinadi. Va hozirda bunday narsa mavjud emas va shuning uchun ushbu asarlarning muvaffaqiyatini bashorat qilish uchun haqiqiy sabab yo'q.
Magnit qamrov kvazi-statsionar plazma yonishni olishga urinishga kamaytiriladi. Bu usullar deyarli yarim asrlik tarixga ega. Ko'pgina eksperimental tadqiqotlar orqali tokamaklarning optimal parametrlari - ishchi kameraning boshqaruv g'ildiragining shakliga ega bo'lgan qurilmalar borligi aniqlandi. Termoyadr plazmasining kerakli parametrlariga eng yaqin kelish mumkinligi tokamaklarda edi. Ammo bu erda kichik bir xususiyatni qayd etish kerak. Deyarli barcha muvaffaqiyatlarga ularning hajmini oshirish orqali erishiladi. Gap shundaki, tokamaks nazariyasida shunday deyilgan: plazmaning qamrov vaqti magnit maydon kuchiga va o'lchamining kvadratiga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir. Magnit maydon kuchining chegarasi deyarli yetib kelganligi sababli, qolgan yagona yo'l hajmini oshirishdir. Tokamaklarning mavjudligi davomida ularning diametri 2 dan 20 metrgacha o'sdi. Yordamchi jihozlarga ega tokamak - bu yuz millionlab va hatto milliardlab dollarga teng bo'lgan butun korxona. Keyingi tokamakning qurilishi bir necha yil davom etadi va u bo'yicha bir qator tajribalardan so'ng, xulosa quyidagicha: yanada katta o'rnatish talab etiladi. Hozirgi kunda qiymati 10 milliard dollardan ortiq bo'lgan "ITER" xalqaro loyihasi amalga oshirilmoqda. Biroq, bu gigienik strukturaning ijobiy energiya chiqishini bera olishiga kuchli shubhalar mavjud.
Boshqariladigan termoyadroviy fusionning juda muhim xususiyati shundaki, plazma qamrovining taklif qilingan usulidan qat'i nazar, har qanday loyiha hozirda milliardlab dollarga baholanmoqda. Kichik o'lchamdagi va past narxdagi qurilmalar uzoq vaqt davomida o'zlarini charchatib qo'ygan. Butun dunyoda deyarli 100 ming kishi sintez muammosi ustida ishlamoqda. Eng yirik olimlar, tajribali muhandislar va dizaynerlar yechim izlamoqda. Qaror davomida biror xatoga yoʻl qoʻyilgan deyishga mutlaqo asos yoʻq. Va ko'p yillik tadqiqotlar natijasida olimlarning bu butun armiyasi aniq xulosaga keladi: boshqariladigan sintez muammosini hal qilish faqatgina ularning qurilishi uchun astronomik xarajatlar bo'yicha qurilmalar hajmini oshirish orqali amalga oshiriladi.
Siz muammoni hal qilish uchun juda haqiqiy loyihaning juda qiziqarli misolini berishingiz mumkin. Ulkan, bir necha kub kilometr temir qozonni suv bilan to'ldirish va termoyadroviy zaryadlarning portlashlari bilan isitish taklif etiladi. Bunday loyihaning amalga oshirilishi va atrof-muhit oqibatlarini baholash erkinligini qoʻlga kiritmaymiz. Faqat bu misol fusion energiyasidan foydalanishning alternativ usullarini qidirish miqyosini aniq ko'rsatadi.
Hozirda boshqariladigan termoyadroviy fusionga oid qarashlar juda ziddiyatli. Bir tomondan, uning deyarli ekvivalent alternativasi yo'q, muammoni hal qilishga allaqachon katta mablag 'sarflangan va orqaga qaytishning iloji yo'q. Boshqa tomondan, har bir yangi qadam katta va katta narxda beriladi. Ko'pgina mamlakatlar o'zlarining yuqori narxi tufayli tadqiqotlarning davom etishidan voz kechishga to'g'ri keldi. Hatto eng ashaddiy optimistlar ham muammo keyingi asrning oʻrtalarigacha hal qilinmasligi mumkinligini kutmoqda. Ammo o'sha vaqtga kelib Yer yuzidagi deyarli barcha neft va gaz zaxiralari yonib ketadi va shuning uchun insoniyat og'ir xom ashyo inqiroziga duch keladi. Va agar echim topilmasa?...
Ammo umidlar haqiqatan ham shunchalik g'amgin va insoniyatmi, ulardan qochish uchun ajoyib xarajatlarga borish kerak. Balki arzonroq va arzonroq yechim bordir?
Shunday yoʻl bor. Tabiat esa uni qayta-qayta qoʻzgʻatdi. Termoyadr tadqiqotlari tong otganda, "siqish effekti" deb ataladigan narsa aniqlandi - oqimning magnit maydoni bo'yicha plazma ustunining siqilishi. Bu ta'sir neytronlarning chiqishiga sabab bo'lgan, bu esa fusion reaksiyasining belgisi bo'lib xizmat qiladi. G'ayrat ko'p bo'ldi, sintez muammosining tezkor yechimi kutilgan edi. Bu lahza juda hissiy jihatdan o'sha davrning mashhur filmida "Bir yilning to'qqiz kuni" da o'ynaladi. Ammo g'ayrat tezda ko'ngilsizlikka yo'l qo'ydi: ma'lum bo'lishicha, neytron chiqarib yuborish manbai plazma ustunining butun hajmi ustidan reaktsiya emas, balki tez deuteronlarning kichik guruhlari (deuterium yadrolari) bo'lgan. Kuchli xotirjamliklarda plazmada paydo bo'lgan elektr maydonlari tomonidan tezlashtirilganda, deuteronlar qolgan plazma zarralarining energiyasidan sezilarli darajada yuqori bo'lgan energiyani oldilar va neytronlarning chiqarilishi bilan fusion reaktsiyasiga kirdilar. Fiziklarga bunday "jamoadan ajratish" juda yoqmadi, olingan neytronlar "yolg'on" deb nomlandi va bu qidirish yo'nalishi bekor qilindi. Ammo sintez reaktsiyasi davom etayotgan edi!
Yaqin o'tmishdan yana bir misol. Ko'p odamlar "sovuq fusion" haqidagi sensatsion xabarni yaxshi eslashadi. Biroq tezda M.Fleischmann va S. Pons tomonidan kashf etilgan va ulardan mustaqil ravishda S.Jons tomonidan kashf etilgan ta'sir juda zaif ekanligi va energiya olishda qo'llanib bo'lmasligi ayon bo'ldi. Topilgan ta'sirning eng ehtimoliy izohi "tezlatgich modeli" deb ataladi: fusion reaktsiyasi palladiyning yorilishi natijasida hosil bo'lgan kuchli elektr maydoni tomonidan deuteronlarning tezlashishi natijasida sodir bo'ladi. Yana tezlashtirilgan deuterons!
Birinchi yadroviy fusion reaktsiya azot yadrolarini tez α zarralar bilan bombardimash orqali amalga oshirildi. Transuranik elementlarning yadrolari ma'lum elementlar yadrolarini tezlashtirilgan zarralar bilan bombardimonidan olingan.
Tezlatgichlarda yadro reaksiyalarini o'tkazish yo'li butunlay tabiiy va hech kim shubha qilmaydi. Tezlashtirilgan protonlarning energiya darajasi allaqachon yuzlab gigaelektronvoltlarda o'lchanadi. Bunday texnika uchun 10 keV hajmdagi Koulomb to'sig'ining energiyasi bilan deuterium-tritiy yoki deuterium-deuterium sintezi reaktsiyasi qiyin emas. Shunga qaramay, deuterium va tritiyning tezlashtirilgan yadrolari to'qnashuvlaridan foydalanib, yadroviy fusion reaksiyasini amalga oshirish imkoniyati hozircha o'rganilmagan. Buning uchun esa juda yaxshi sabablar bor.
Gap shundaki, termoyadrli tadqiqotlarning asosiy maqsadi katta miqdordagi energiyaning chiqishi bilan intensiv reaktsiyaga ega bo'lishdir va akseleratorlarda yadro reaksiyalari deyarli individual ravishda sodir bo'ladi. Bu erda asosiy narsa reaktsiyalar soni emas, balki uning o'tishi haqiqatidir. Tezlatgichlarda yadro reaksiyalarining past intensivligi tezlashtirilgan chiroqdagi zarralar soni ancha kamligi va shunga ko'ra ularning konsentratsiyasi kichik bo'lishi bilan belgilanadi. Albatta, boshqariladigan sintez muammosini hal qilishda zamonaviy tezlatgich texnologiyasidan bevosita foydalanish ma'nosizdir. Uning uchun, chiroqdagi zarralar kontsentratsiyasini oshirish vazifasi o'rnatiladi, lekin asosiysi sifatida emas; Bu erda asosiy vazifa zarralarning maksimal energiyasiga erishishdir.
Keling, muammoni biroz boshqacharoq shakllantirishga harakat qilaylikmi? Tezlashtirilgan deuterium va tritiy ionlarining energiyasi uchun to'qnashuvchi nurlar ustida akseleratorni ishlab chiqish va yaratish uchun (deuterons, tritons) bir necha yuz kiloelektrtronvoltlardan iborat, sintez reaktsiyasi borish ehtimoli bo'lganda va 10^{14 sm-3} nuridagi zarralarning zichligida, uning intensivligi amaliy foydalanish uchun etarli darajada katta bo'ladi. Fan va texnologiyaning zamonaviy rivojlanishi bilan bunday muammoni kichik tezlatgichda tezda hal qilish mumkin. Hisob-kitoblardan ko'rinadiki, Kerakli ion zichligini olish uchun tezlatgichdagi oqim amperlardan bir necha o'nlab bo'lishi kerak. Bugungi yuqori oqimli ion tezlatgichlari 10 6 eV gacha ion energiyalari bilan 10 6 A gacha oqimlarni olish imkoniyatini beradi. Bunday parametrlarga ega bo'lgan chiroqlarni ushlab turish muammosi qolmoqda. Ammo bu muammoning ham yechimi bor. Zamonaviy to'qnashuvli chiroq tezlatgichlarida retension vaqt soatlarda o'lchanadi! Shuningdek, siz chiroq to'qnashuvlari tabiatda puls-davriy bo'ladigan reaktor qurishga harakat qilishingiz mumkin. Bu holatda chiroqlarning o'zi to'qnashuvi davomiyligiga ega bo'ladi taxminan 10-7-10-8 soniya, va siz faqat bu vaqt davomida ularni "ushlab" kerak bo'ladi. To'qnashuvlar 10 7-10 ⁸ Hz chastotada takrorlanishi mumkin , bu esa reaksiyaning deyarli uzluksiz yonishi demakdir.
To'qnashish yo'llari va magnit qamrovi usulining eng muhim farqi shundaki, tezlatgichning hajmi sintez sharoitlariga erishishda fundamental rol o'ynamaydi. Tajriba o'rnatishning minimal hajmi faqat kerakli energiyaga ega bo'lgan ion manbaining hajmi bilan aniqlanadi. Va ular kichik: sanoatda ishlatiladigan bir necha yuz kiloelektronvolt uchun ion manbai (masalan, yarimo'tkazgichlarning ion implantatsiyasi uchun), 10 m 2 dan ortiq bo'lmagan hududni qamrab oladi va bir necha ming dollar turadi. "Nol" yadroviy fusion ekspertizasida to'qnashuv hajmi (yog'ochlar to'qnashadigan hajm) juda kichik bo'lishi mumkin. Masalan, uzunligi 2 sm va diametri 0,4 sm bo'lgan 25 W issiqlik chiqarilishi kutilmoqda, ya'ni, o'rnatishning aniq quvvati 10 ⁸ W / m³ (ichki yonish dvigateli bilan bir xil) 10 8 W / m 3 (ichki yonuv dvigateli bilan bir xil). Bunday parametrlarga erishish boshqariladigan termoyadroviy fusion muammosining jismoniy yechimini anglatadi. Kerakli quvvatni olish faqat texnik masala.

XULOSA

Kelgusida fusion yana bir "insoniyat inqirozi"ni, ya'ni Yerning haddan tashqari ko'pligini yengadi.

Hech kimga sir emaski, yer usti sivilizatsiyasining rivojlanishi dunyo aholisining doimiy va barqaror o'sishini ta'minlaydi, shuning uchun "yangi hududlar" ni rivojlantirish, boshqacha aytganda, quyosh tizimining qo'shni sayyoralarini doimiy aholi punktlarini yaratish uchun mustamlaka qilish masalasi yaqin kelajak masalasidir.
Bugungi kunda, astronavtika sohasidagi yetakchi mutaxassislar, xususan, NASA direktori Shon O'Kefe tomonidan tan olinganidek, zamonaviy raketa dvigatellari allaqachon o'z imkoniyatlarini holdan toydirgan va undan, hatto doimiy modifikatsiya bilan ham, faqat Yerga yaqin kosmosni o'rganish uchungina foydalanish mumkin. Sayyoralararo aloqa, "begona" orbitalarda uzoq muddatli komplekslar qurilishi faqat uzoq muddatli odamli uchish, kosmosda ishlash va Yerga xavfsiz qaytishni ta'minlashga qodir kosmik ob'ektlarga kuchli va iqtisodiy harakatlanish tizimlarini o'rnatish bilan mumkin.

ADABIYOTLAR

1. 
   "Fan va turmush" jurnali No11, 1999 yil
   
2. 
   Termoyadroviy fusion. Http://www. roni. ru/yadernayafizika/16911/.
   
3. 
   Akademik M.A.Leontovich, ed. Nauka, 2009. s. 511.
   
4. 
   Popov Y.P. "Termoyadroviy neytronlarning qobiq bilan siqiladigan plazmadan chiqishi", 2007, 284 s.
   

Allbest.ru kuni joylashtirilgan