Son zamanlarda, ITER projesinin Rusya sunumu, çerçevesinde tokamak prensibine göre çalışan bir termonükleer reaktör oluşturulması planlanan Moskova Fizik ve Teknoloji Enstitüsü'nde gerçekleşti. Rusya'dan bir grup bilim insanı, uluslararası proje ve Rus fizikçilerin bu nesnenin yaratılmasına katılımı hakkında konuştu. Lenta.ru, ITER sunumuna katıldı ve proje katılımcılarından biriyle konuştu.

ITER (ITER, Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktör - Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktör), termonükleer teknolojilerin barışçıl ve ticari amaçlarla daha fazla kullanılması için gösterilmesine ve araştırılmasına olanak sağlayan bir füzyon reaktörü projesidir. Projenin yaratıcıları, kontrollü termonükleer füzyonun geleceğin enerjisi olabileceğine ve modern gaz, petrol ve kömüre alternatif olabileceğine inanıyor. Araştırmacılar, geleneksel enerjiye kıyasla ITER teknolojisinin güvenliğine, çevre dostu olmasına ve kullanılabilirliğine dikkat çekiyor. Projenin karmaşıklığı, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı ile karşılaştırılabilir; reaktör kurulumu on milyondan fazla yapısal eleman içermektedir.

ITER Hakkında

Toroidal tokamak mıknatıslar, 80.000 kilometre süper iletken filaman gerektirir; toplam ağırlıkları 400 tona ulaşıyor. Reaktörün kendisi yaklaşık 23.000 ton ağırlığında olacak. Karşılaştırma için Paris'teki Eyfel Kulesi'nin ağırlığı sadece 7,3 bin ton. Tokamak'taki plazma hacmi 840 metreküpe ulaşırken, örneğin Birleşik Krallık'ta bu türde çalışan en büyük reaktör olan JET'te hacim yüz metreküptür.

Tokamak'ın yüksekliği 73 metre olacak ve bunun 60 metresi yerden yüksekte, 13 metresi ise altında olacak. Karşılaştırma için, Moskova Kremlin'in Spasskaya Kulesi'nin yüksekliği 71 metredir. Ana reaktör platformu, 60 futbol sahası büyüklüğündeki 42 hektarlık bir alanı kaplayacak. Tokamak plazmasındaki sıcaklık, Güneş'in merkezindeki sıcaklığın on katı olan 150 milyon santigrat dereceye ulaşacak.

2010 yılının ikinci yarısında ITER'nin inşasına aynı anda beş bin kadar kişinin dahil edilmesi planlanıyor - bunlar hem işçileri hem de mühendisleri ve idari personeli içerecek. Birçok ITER bileşeni, yaklaşık 104 kilometre uzunluğunda özel olarak inşa edilmiş bir yol boyunca Akdeniz yakınlarındaki bir limandan teslim edilecek. Özellikle tesisin en ağır parçası, kütlesi 900 tondan fazla olacak ve uzunluğu yaklaşık on metre olacak şekilde taşınacaktır. ITER tesisinin inşaat alanından 2,5 milyon metreküpten fazla toprak kaldırılacak.

Tasarım ve inşaat işlerinin toplam maliyetinin 13 milyar avro olduğu tahmin ediliyor. Bu fonlar, 35 ülkenin çıkarlarını temsil eden yedi ana proje katılımcısı tarafından sağlanmaktadır. Karşılaştırma için, Büyük Hadron Çarpıştırıcısını inşa etmenin ve sürdürmenin toplam maliyeti neredeyse iki kat daha az ve Uluslararası Uzay İstasyonunu inşa etmek ve sürdürmek neredeyse bir buçuk kat daha pahalı.

tokamak

Bugün dünyada gelecek vaat eden iki termonükleer reaktör projesi var: tokamak ( O yuvarlak ka ile ölçmek anneçürük İle atushkas) ve bir yıldız. Her iki cihazda da plazma bir manyetik alan tarafından tutulur, ancak bir tokamak'ta içinden elektrik akımının geçtiği toroidal bir kordon biçimine sahiptir, bir yıldızlayıcıda ise manyetik alan harici bobinler tarafından indüklenir. Termonükleer reaktörlerde, ağır çekirdeklerin daha hafif olanlara dönüşme işlemlerinin başlatıldığı geleneksel reaktörlerin aksine, ağır elementlerin ışıktan (hidrojen izotoplarından helyum - döteryum ve trityum) sentez reaksiyonları gerçekleşir.

Fotoğraf: NRC "Kurchatov Enstitüsü" / nrcki.ru

Tokamak'taki elektrik akımı, plazmanın yaklaşık 30 milyon santigrat dereceye kadar ısıtılması için de kullanılır; daha fazla ısıtma özel cihazlarla gerçekleştirilir.

Tokamak'ın teorik şeması 1951'de Sovyet fizikçiler Andrei Sakharov ve Igor Tamm tarafından önerildi ve 1954'te ilk kurulum SSCB'de inşa edildi. Bununla birlikte, bilim adamları plazmayı uzun süre sabit bir rejimde tutamadılar ve 1960'ların ortalarında dünya, tokamak bazlı kontrollü termonükleer füzyonun imkansız olduğuna ikna oldu.

Ancak üç yıl sonra, Lev Artsimovich liderliğindeki Kurchatov Atom Enerjisi Enstitüsü'ndeki T-3 tesisinde, plazmayı beş milyon santigrat dereceden fazla bir sıcaklığa ısıtmak ve kısa bir süre tutmak mümkün oldu; Deneyde bulunan Birleşik Krallık'tan bilim adamları, ekipmanlarında yaklaşık on milyon derecelik bir sıcaklık kaydetti. Bundan sonra dünyada gerçek bir tokamak patlaması başladı, böylece dünyada en büyüğü Avrupa, Japonya, ABD ve Rusya'da olmak üzere yaklaşık 300 tesis inşa edildi.

Resim: Rfassbind/wikipedia.org

ITER yönetimi

ITER'nin 5-10 yıl içinde çalışmaya başlayacağına olan güvenin temeli nedir? Hangi pratik ve teorik gelişmeler üzerine?

Rusya tarafında, beyan edilen çalışma programını yerine getiriyoruz ve onu ihlal etmeyeceğiz. Ne yazık ki başta Avrupa olmak üzere başkalarının yaptığı işlerde biraz gecikme görüyoruz; Amerika'da kısmen bir gecikme var ve projenin bir miktar ertelenme eğilimi var. Gecikmeli ama durmadı. İşe yarayacağına dair bir güven var. Proje konsepti tamamen teorik ve pratik olarak hesaplanmış ve güvenilir, bu yüzden işe yarayacağını düşünüyorum. Açıklanan sonuçları tam anlamıyla verecek mi... bekleyip görelim.

Proje daha çok keşif niteliğinde mi?

Kesinlikle. İddia edilen sonuç elde edilen sonuç değildir. Tam olarak alınırsa, son derece mutlu olacağım.

ITER projesinde hangi yeni teknolojiler ortaya çıktı, ortaya çıktı veya çıkacak?

ITER projesi sadece son derece karmaşık değil, aynı zamanda son derece stresli bir projedir. Enerji yükü açısından stresli, sistemlerimiz de dahil olmak üzere bazı unsurların çalışma koşulları. Bu nedenle, yeni teknolojilerin bu projede doğması zorunludur.

Bir örnek var mı?

Uzay. Örneğin, elmas dedektörlerimiz. Elmas dedektörlerimizi, uydular veya istasyonlar gibi bazı nesneleri yörüngeden yörüngeye taşıyan nükleer araçlar olan uzay kamyonlarında kullanma olasılığını tartıştık. Böyle bir uzay aracı projesi var. Bu, üzerinde nükleer reaktör bulunan bir araç olduğundan, zorlu çalışma koşulları analiz ve kontrol gerektirir, bu nedenle dedektörlerimiz bunu gayet iyi yapabilir. Şu anda, bu tür teşhis oluşturma konusu henüz finanse edilmemiştir. Oluşturulursa uygulanabilir ve daha sonra geliştirme aşamasında ona para yatırmaya gerek kalmaz, yalnızca geliştirme ve uygulama aşamasında.

Sıfır ve doksanların modern Rus gelişmelerinin Sovyet ve Batı gelişmelerine kıyasla payı nedir?

Rus bilimsel katkısının ITER'ye küresel katkı zeminine karşı payı çok büyük. Tam olarak bilmiyorum ama çok ağır. Açıkça, projeye finansal katılımın Rus yüzdesinden daha az değil, çünkü diğer birçok ekipte başka kurumlarda çalışmak için yurt dışına giden çok sayıda Rus var. Japonya'da ve Amerika'da, her yerde onlarla çok iyi iletişim kuruyoruz ve çalışıyoruz, bazıları Avrupa'yı, bazıları Amerika'yı temsil ediyor. Ayrıca bilim okulları da var. Bu nedenle, daha önce yaptığımız şeyi geliştirip geliştirmediğimize gelince ... Büyüklerden biri "devlerin omuzlarında duruyoruz" dedi, bu nedenle Sovyet döneminde geliştirilen üs inkar edilemez derecede büyük ve onsuz hiçbir şey yapamayız. Ama şu anda bile durmuyoruz, hareket ediyoruz.

Ve ITER'deki grubunuz tam olarak ne yapıyor?

Bölümde bir sektör var. Bölüm, çeşitli tanılama cihazlarının geliştirilmesi ile uğraşmaktadır, sektörümüz özellikle dikey bir nötron odası, ITER nötron teşhisi geliştirme ile uğraşmakta ve tasarımdan üretime kadar geniş bir yelpazedeki sorunları çözmektedir ve ayrıca, özellikle elmas dedektörlerinin geliştirilmesi ile ilgili araştırma çalışmalarını yürütmektedir. Elmas dedektörü, orijinal olarak laboratuvarımızda oluşturulmuş benzersiz bir cihazdır. Daha önce birçok füzyon tesisinde kullanılan bu yöntem, günümüzde Amerika'dan Japonya'ya birçok laboratuvar tarafından yaygın olarak kullanılmaktadır; diyelim ki bizi takip ettiler ama biz zirvede olmaya devam ediyoruz. Şimdi elmas detektörler yapıyoruz ve onların endüstriyel üretimi (küçük ölçekli üretim) seviyesine geleceğiz.

Bu dedektörler hangi endüstrilerde kullanılabilir?

Bu durumda bunlar termonükleer araştırmalar, gelecekte nükleer enerjide rağbet göreceklerini varsayıyoruz.

Dedektörler tam olarak ne yapar, neyi ölçer?

nötronlar. Nötrondan daha değerli bir ürün yoktur. Sen ve ben de nötronlardan oluşuyoruz.

Nötronların hangi özelliklerini ölçerler?

Spektral. İlk olarak, ITER'de çözülmekte olan acil problem, nötron enerji spektrumunun ölçümüdür. Ayrıca nötronların sayısını ve enerjisini de izlerler. İkincisi, ek görev nükleer enerji ile ilgilidir: nükleer reaktörlerin temeli olan termal nötronları da ölçebilen paralel gelişmelerimiz var. Bizim için bu görev ikincil ama aynı zamanda üzerinde çalışılıyor, yani burada çalışabilir ve aynı zamanda nükleer enerjide oldukça başarılı bir şekilde uygulanabilecek geliştirmeler yapabiliriz.

Araştırmanızda hangi yöntemleri kullanıyorsunuz: teorik, pratik, bilgisayar simülasyonu?

Her şey: karmaşık matematikten (matematiksel fizik yöntemleri) ve matematiksel modellemeden deneylere. Yaptığımız tüm çeşitli hesaplama türleri deneylerle doğrulanır ve doğrulanır, çünkü üzerinde kendi geliştirdiğimiz sistemleri test ettiğimiz birkaç çalışan nötron üretecine sahip bir deney laboratuvarımız var.

Laboratuvarınızda çalışan bir reaktör var mı?

Bir reaktör değil, bir nötron jeneratörü. Aslında bir nötron üreteci, söz konusu termonükleer reaksiyonların mini bir modelidir. İçinde her şey aynı, sadece orada süreç biraz farklı. Bir hızlandırıcı prensibine göre çalışır - bir hedefi vuran belirli iyonların bir ışın demetidir. Yani, plazma söz konusu olduğunda, her atomun büyük bir enerjiye sahip olduğu sıcak bir nesnemiz var ve bizim durumumuzda, özel olarak hızlandırılmış bir iyon, benzer iyonlarla doymuş bir hedefi vuruyor. Buna göre bir reaksiyon gerçekleşir. Aynı füzyon reaksiyonunu yapmanın yollarından biri diyelim; Kanıtlanmış olan tek şey, bu yöntemin yüksek bir verime sahip olmadığı, yani pozitif bir enerji çıkışı almayacağınız, ancak reaksiyonun kendisini elde edeceğinizdir - bu reaksiyonu ve parçacıkları ve içine giren her şeyi doğrudan gözlemliyoruz.

20. yüzyılın ikinci yarısı, nükleer fiziğin hızla geliştiği bir dönemdi. Nükleer reaksiyonların yetersiz miktarda yakıttan muazzam enerji üretmek için kullanılabileceği açık hale geldi. İlk nükleer bombanın patlamasından ilk nükleer santrale kadar sadece dokuz yıl geçti ve 1952'de hidrojen bombası denendiğinde, termonükleer santrallerin 1960'lı yıllarda faaliyete geçeceği öngörüleri vardı. Ne yazık ki, bu umutlar haklı çıkmadı.

Termonükleer reaksiyonlar Tüm termonükleer reaksiyonlardan sadece dördü kısa vadede ilgi çekicidir: döteryum + döteryum (ürünler - trityum ve proton, salınan enerji 4.0 MeV), döteryum + döteryum (helyum-3 ve nötron, 3.3 MeV), döteryum + trityum (helyum-4 ve nötron, 17.6 MeV) ve döteryum + helyum-3 (helyum-4 ve proton , 18.2) MeV). Birinci ve ikinci reaksiyonlar eşit olasılıkla paralel olarak çalışır. Ortaya çıkan trityum ve helyum-3, üçüncü ve dördüncü reaksiyonlarda "yanar"

Şu anda insanlığın ana enerji kaynağı kömür, petrol ve gazın yakılmasıdır. Ancak rezervleri sınırlıdır ve yanma ürünleri çevreyi kirletir. Kömürle çalışan bir elektrik santrali, aynı kapasitedeki bir nükleer santralden daha fazla radyoaktif emisyon üretir! Peki neden hala nükleer enerji kaynaklarına geçiş yapmadık? Bunun birçok nedeni var, ancak radyofobi son zamanlarda ana sebep haline geldi. Kömürle çalışan bir termik santral, normal çalışma sırasında bile, nükleer santrallerden kaynaklanan kazara emisyonlardan çok daha fazla insanın sağlığına zarar vermesine rağmen, bunu sessizce ve halk tarafından fark edilmeden yapıyor. Nükleer santrallerdeki kazalar medyada anında ana haber haline gelir ve genel bir paniğe neden olur (genellikle tamamen asılsız). Ancak bu, nükleer enerjinin nesnel sorunları olmadığı anlamına gelmez. Pek çok sorun radyoaktif atıklardan kaynaklanır: onunla çalışmak için teknolojiler hala son derece pahalıdır ve hepsinin tamamen işlenip kullanılacağı ideal durumdan hala uzaktır.

Tüm termonükleer reaksiyonlardan sadece dördü kısa vadede ilgi çekicidir: döteryum + döteryum (ürünler - trityum ve proton, salınan enerji 4.0 MeV), döteryum + döteryum (helyum-3 ve nötron, 3.3 MeV), döteryum + trityum (helyum-4 ve nötron, 17.6 MeV) ve döteryum + helyum-3 (helyum-4 ve proton, 18, 2 MeV). Birinci ve ikinci reaksiyonlar eşit olasılıkla paralel olarak çalışır. Ortaya çıkan trityum ve helyum-3, üçüncü ve dördüncü reaksiyonlarda "yanar".

Bölünmeden senteze

Potansiyel olarak bu sorunları çözmek, fisyon reaktörlerinden füzyon reaktörlerine geçişe izin verir. Tipik bir fisyon reaktörü, çok çeşitli radyoaktif izotoplar içeren onlarca ton radyoaktif atığa dönüştürülen onlarca ton radyoaktif yakıt içeriyorsa, o zaman bir füzyon reaktörü, tek bir radyoaktif izotop hidrojen - trityumdan yalnızca yüzlerce gram, en fazla kilogram kullanır. Reaksiyonun önemsiz miktarda bu en az tehlikeli radyoaktif izotop gerektirmesine ek olarak, nakliye ile ilgili riskleri en aza indirmek için üretiminin doğrudan santralde yapılması da planlanmaktadır. Sentez ürünleri kararlı (radyoaktif olmayan) ve toksik olmayan hidrojen ve helyumdur. Ayrıca fisyon reaksiyonundan farklı olarak termonükleer reaksiyon, termal patlama tehlikesi oluşturmadan tesis yok edildiğinde hemen durur. Öyleyse neden hala çalışan tek bir termonükleer enerji santrali inşa edilmedi? Bunun nedeni, listelenen avantajlardan kaçınılmaz olarak dezavantajların ortaya çıkmasıdır: sentez için koşullar yaratmanın başlangıçta sanıldığından çok daha zor olduğu ortaya çıktı.

Lawson kriteri

Bir termonükleer reaksiyonun enerji açısından uygun olması için, termonükleer yakıtın yeterince yüksek bir sıcaklığının, yeterince yüksek yoğunluğunun ve yeterince küçük enerji kayıplarının sağlanması gereklidir. İkincisi sayısal olarak, plazmada depolanan termal enerjinin enerji kayıp gücüne oranına eşit olan sözde "muhafaza süresi" ile karakterize edilir (çoğu kişi yanlışlıkla "muhafaza süresinin" kurulumda sıcak plazmanın tutulduğu süre olduğuna inanır, ancak bu böyle değildir). 10 keV'ye (yaklaşık 110.000.000 derece) eşit bir döteryum ve trityum karışımı sıcaklığında, 1 cm3 (yani plazma konsantrasyonu) cinsinden yakıt partiküllerinin sayısının ve en az 1014'lük tutma süresinin (saniye cinsinden) çarpımını elde etmemiz gerekir. 1014 cm-3 konsantrasyona ve 1 s tutma süresine sahip plazmamızın veya 10 23 konsantrasyona ve 1 ns tutma süresine sahip bir plazmaya sahip olmamızın bir önemi yoktur. Bu kritere Lawson kriteri denir.
Enerji açısından uygun bir reaksiyon elde etmekten sorumlu olan Lawson kriterine ek olarak, döteryum-trityum reaksiyonu için Lawson kriterinden yaklaşık üç kat daha büyük olan bir plazma tutuşma kriteri de vardır. "Ateşleme", plazmada kalan füzyon enerjisi fraksiyonunun gerekli sıcaklığı korumak için yeterli olacağı ve plazmanın ek olarak ısıtılmasına artık gerek olmadığı anlamına gelir.

Z-tutam

Kontrollü bir termonükleer reaksiyon elde etmenin planlandığı ilk cihaz, sözde Z-pinch idi. En basit durumda bu kurulum, bir döteryum (hidrojen-2) ortamında veya bir döteryum ve trityum karışımında yalnızca iki elektrot ve yüksek voltajlı darbe kapasitörlerinden oluşan bir pilden oluşur. İlk bakışta, muazzam bir sıcaklığa ısıtılan sıkıştırılmış bir plazma elde etmenize izin veriyor gibi görünüyor: tam olarak bir termonükleer reaksiyon için gerekli olan şey! Ancak hayatta her şey ne yazık ki çok pembe olmaktan uzak çıktı. Plazma demetinin kararsız olduğu ortaya çıktı: en ufak bir bükülmesi, bir taraftaki manyetik alanın artmasına ve diğer tarafın zayıflamasına neden oluyor, ortaya çıkan kuvvetler, demetin bükülmesini daha da artırıyor - ve tüm plazma, odanın yan duvarına "düşüyor". Halat sadece bükülmeye karşı kararsız değildir, en ufak bir incelmesi bu kısımdaki manyetik alanda bir artışa yol açar, bu da plazmayı daha da sıkıştırır, ip nihayet "aktarılana" kadar ipin kalan hacmine sıkıştırır. Aktarılan parçanın elektriksel direnci yüksektir, böylece akım kesilir, manyetik alan kaybolur ve tüm plazma dağılır.

Z-pinch prensibi basittir: bir elektrik akımı, aynı akımla etkileşime giren ve onu sıkıştıran dairesel bir manyetik alan üretir. Sonuç olarak, akımın aktığı plazmanın yoğunluğu ve sıcaklığı artar.

Plazma demetini, üzerine akıma paralel güçlü bir harici manyetik alan uygulayarak ve onu kalın bir iletken mahfazaya yerleştirerek stabilize etmek mümkündü (plazma hareket ettiğinde, manyetik alan da hareket eder, bu da muhafazada plazmayı yerine geri döndürme eğiliminde olan bir elektrik akımını indükler). Plazma bükülmeyi ve kıstırmayı bıraktı, ancak ciddi ölçekte bir termonükleer reaksiyondan hâlâ çok uzaktı: plazma elektrotlara dokunur ve onlara ısısını verir.

Z-pinch üzerinde füzyon alanındaki modern çalışma, termonükleer plazma oluşturmak için başka bir ilke önermektedir: akım, bir termonükleer bombada olduğu gibi, plazma tüpünün içindeki füzyon yakıt kapsülünü sıkıştıran ve ısıtan güçlü X-ışınları oluşturan bir tungsten plazma tüpünden akar. Bununla birlikte, bu çalışmalar tamamen araştırma niteliğindedir (nükleer silahların çalışma mekanizmaları incelenmektedir) ve bu süreçte enerji salınımı hala tüketimden milyonlarca kat daha azdır.

Tokamak torusunun büyük yarıçapının (tüm simidin merkezinden tüpünün enine kesitinin merkezine olan mesafe) küçük olana (tüp bölümünün yarıçapı) oranı ne kadar küçükse, aynı manyetik alanda plazma basıncı o kadar büyük olabilir. Bilim adamları bu oranı azaltarak, plazma ve vakum odasının dairesel bir bölümünden D şeklindeki bir bölüme geçtiler (bu durumda, küçük bir yarıçapın rolü, bölümün yüksekliğinin yarısı tarafından oynanır). Tüm modern tokamaklar aynı enine kesit şekline sahiptir. Sınırlayıcı durum, sözde "küresel tokamak" idi. Bu tür tokamaklarda, kürenin kutuplarını birbirine bağlayan dar bir kanal dışında, vakum odası ve plazma neredeyse küreseldir. Manyetik bobinlerin iletkenleri kanaldan geçer. İlk küresel tokamak olan START, yalnızca 1991'de ortaya çıktı, bu nedenle bu oldukça genç bir yön, ancak aynı plazma basıncını üç kat daha küçük bir manyetik alanla elde etme olasılığını şimdiden gösterdi.

Probkotron, yıldızcı, tokamak

Reaksiyon için gerekli koşulları yaratmanın bir başka seçeneği de açık manyetik tuzaklardır. Bunların en ünlüsü "korktron" dur: uçlarında artan ve ortasında zayıflayan uzunlamasına bir manyetik alana sahip bir tüp. Uçlarda artan alan, plazmanın tesisatı uçlardan terk etmesini engelleyen bir "manyetik fiş" (Rusça adı buradan gelir) veya bir "manyetik ayna" (İngilizce - ayna makinesi) oluşturur. Bununla birlikte, böyle bir hapsetme eksiktir; belirli yörüngeler boyunca hareket eden yüklü parçacıkların bir kısmı bu tıkaçlardan geçebilir. Ve çarpışmaların bir sonucu olarak, herhangi bir parçacık er ya da geç böyle bir yörüngeye düşecektir. Ek olarak, ayna hücresindeki plazmanın da kararsız olduğu ortaya çıktı: bir noktada plazmanın küçük bir bölümü tesisin ekseninden uzaklaşırsa, plazmayı bölme duvarına fırlatan kuvvetler ortaya çıkar. Bir ayna hücresinin temel fikri önemli ölçüde geliştirilmiş olsa da (bu, hem plazma kararsızlığını hem de ayna geçirgenliğini azaltmayı mümkün kıldı), pratikte enerjik olarak uygun bir sentez için gerekli parametrelere yaklaşmak bile mümkün olmadı.

Plazmanın "fişlerden" çıkmamasını sağlamak mümkün mü? Bariz çözüm, plazmayı bir halka haline getirmek gibi görünüyor. Bununla birlikte, halkanın içindeki manyetik alan dışarıdan daha güçlüdür ve plazma tekrar hazne duvarına gitme eğilimindedir. Bu zor durumdan çıkış yolu da oldukça açık görünüyordu: bir halka yerine "sekiz rakamı" yapın, ardından bir bölümde parçacık enstalasyonun ekseninden uzaklaşacak ve diğerinde geri dönecektir. Bilim adamlarının ilk yıldızlayıcı fikri bu şekilde ortaya çıktı. Ancak böyle bir "sekiz rakamı" bir düzlemde yapılamaz, bu nedenle manyetik alanı ikinci yönde bükerek üçüncü boyutun kullanılması gerekiyordu, bu da parçacıkların eksenden oda duvarına kademeli olarak ayrılmasına yol açtı.

Tokamak tipi kurulumların oluşturulmasıyla durum önemli ölçüde değişti. 1960'ların ikinci yarısında T-3 tokamak üzerinde elde edilen sonuçlar o zamanlar için o kadar çarpıcıydı ki, Batılı bilim adamları plazma parametrelerini kendileri doğrulamak için ölçüm ekipmanlarıyla SSCB'ye geldiler. Gerçek, beklentilerini bile aştı.

Bu fevkalade iç içe geçmiş borular bir sanat projesi değil, karmaşık bir üç boyutlu eğri şeklinde kıvrılmış bir yıldız odasıdır.

Ataletin elinde

Manyetik hapsetmeye ek olarak, termonükleer füzyona temelde farklı bir yaklaşım vardır - atalet hapsi. İlk durumda plazmayı uzun süre çok düşük bir konsantrasyonda tutmaya çalışırsak (çevrenizdeki havadaki moleküllerin konsantrasyonu yüzbinlerce kat daha yüksektir), o zaman ikinci durumda plazmayı çok büyük bir yoğunluğa sıkıştırırız, en ağır metallerin yoğunluğundan çok daha yüksek bir mertebede, reaksiyonun bu kısa sürede geçmek için zamana sahip olacağı beklentisiyle, plazmanın yanlara dağılması için zamana sahip olana kadar.

Başlangıçta, 1960'larda, birçok lazer ışını tarafından her taraftan eşit şekilde ışınlanmış küçük bir donmuş füzyon yakıtı topu kullanılması planlandı. Topun yüzeyinin anında buharlaşması ve her yöne eşit şekilde genişleyerek yakıtın geri kalanını sıkıştırması ve ısıtması gerekiyordu. Bununla birlikte, pratikte, ışınlamanın yeterince tekdüze olmadığı ortaya çıktı. Ek olarak, radyasyon enerjisinin bir kısmı iç katmanlara aktarılarak ısınmalarına neden oldu ve bu da sıkıştırmayı zorlaştırdı. Sonuç olarak, top düzensiz ve zayıf bir şekilde sıkıştırıldı.

Hepsi bir simite yakın olan bir dizi modern yıldızlayıcı konfigürasyonu vardır. En yaygın konfigürasyonlardan biri, tokamakların poloidal alanına benzer bobinlerin ve çok yönlü akımla vakum odası etrafında bükülen dört ila altı iletkenin kullanılmasını içerir. Bu durumda oluşturulan karmaşık manyetik alan, içinden bir halka elektrik akımının akmasını gerektirmeden plazmanın güvenilir bir şekilde tutulmasını mümkün kılar. Ayrıca yıldızlaştırıcılarda tokamaklarda olduğu gibi toroidal alan bobinleri kullanılabilir. Ve sarmal iletkenler olmayabilir, ancak daha sonra "toroidal" alanın bobinleri karmaşık bir üç boyutlu eğri boyunca kurulur. Yıldızlayıcılar alanındaki son gelişmeler, manyetik bobinlerin ve bir bilgisayarda hesaplanan çok karmaşık bir şekle (çok "buruşuk" simit) sahip bir vakum odasının kullanılmasını içerir.

Pürüzlülük sorunu, hedefin tasarımı önemli ölçüde değiştirilerek çözüldü. Şimdi top, lazer ışınlarının girdiği deliklerle özel bir küçük metal haznenin (buna "hohlraum" denir. hohlraum - boşluk) içine yerleştirilir. Ek olarak, kızılötesi lazer radyasyonunu ultraviyole dönüştüren kristaller kullanılır. Bu UV radyasyonu, aynı zamanda muazzam bir sıcaklığa kadar ısınan ve yumuşak x-ışını bölgesinde yayılan en ince hohlraum malzemesi tabakası tarafından emilir. Buna karşılık, X-ışını radyasyonu, yakıt kapsülünün (yakıtlı top) yüzeyindeki en ince tabaka tarafından emilir. Bu aynı zamanda iç katmanların erken ısınma sorununu çözmeyi de mümkün kıldı.

Ancak lazerlerin gücü, yakıtın gözle görülür bir kısmının reaksiyona girmesi için yetersiz kaldı. Ayrıca, lazerlerin etkinliği çok düşüktü, sadece yaklaşık %1. Füzyonun lazerlerin bu kadar düşük verimliliğinde enerjik olarak uygun olması için, sıkıştırılmış yakıtın neredeyse tamamının reaksiyona girmesi gerekiyordu. Lazerleri çok daha yüksek verimlilikle üretilebilen hafif veya ağır iyon ışınlarıyla değiştirmeye çalışırken, bilim adamları birçok sorunla da karşılaştılar: hafif iyonlar birbirlerini iter, bu da odaklanmalarına engel olur ve odadaki artık gazla çarpışmalarla yavaşlar ve gerekli parametrelere sahip ağır iyon hızlandırıcılar oluşturulamadı.

Manyetik beklentiler

Füzyon enerjisi alanındaki umutların çoğu artık tokamaklarla ilişkilendiriliyor. Özellikle iyileştirilmiş tutma ile modlarının açılmasından sonra. Tokamak, hem bir halkaya sarılmış bir Z tutamıdır (plazmanın içinden akan dairesel bir elektrik akımı, onu tutmak için gerekli bir manyetik alan oluşturur) hem de bir halka şeklinde birleştirilmiş ve "oluklu" bir toroidal manyetik alan oluşturan bir dizi ayna hücresidir. Ek olarak, bobinlerin toroidal alanı ve plazma akımının alanı, birkaç ayrı bobin tarafından oluşturulan simit düzlemine dik bir alanla üst üste bindirilir. Poloidal olarak adlandırılan bu ek alan, plazma akımının (aynı zamanda poloidal) manyetik alanını torusun dışında güçlendirir ve içeride zayıflatır. Böylece, plazma ipinin her iki tarafındaki toplam manyetik alan aynı olur ve konumu sabit kalır. Bu ek alanı değiştirerek plazma ipini vakum odası içinde belirli sınırlar içinde hareket ettirmek mümkündür.

Senteze temel olarak farklı bir yaklaşım, müon katalizi kavramı tarafından sunulmaktadır. Bir müon, bir elektronla aynı yüke sahip, ancak kütlesinin 207 katı olan kararsız bir temel parçacıktır. Bir müon, bir hidrojen atomundaki bir elektronun yerini alabilirken, atomun boyutu 207 kat azalır. Bu, bir hidrojen çekirdeğinin enerji harcamadan diğerine yaklaşmasına izin verir. Ancak bir müon elde etmek için yaklaşık 10 GeV enerji harcanır, bu da enerji faydaları elde etmek için müon başına birkaç bin füzyon reaksiyonu gerçekleştirmek gerektiği anlamına gelir. Tepkimede oluşan helyuma müonun "yapışması" olasılığından dolayı birkaç yüzden fazla tepkime henüz gerçekleştirilememiştir. Fotoğraf, Max Planck Plazma Fiziği Enstitüsü'nün Wendelstein z-x yıldızlayıcısının montajını gösteriyor.

Uzun süredir tokamakların önemli bir sorunu, plazmada bir halka akımı oluşturma ihtiyacıydı. Bunu yapmak için, tokamak torusunun merkezi deliğinden manyetik akı sürekli olarak değiştirilen bir manyetik devre geçirildi. Manyetik akıdaki değişiklik, vakum odasındaki gazı iyonlaştıran ve oluşan plazmada akımı koruyan bir girdap elektrik alanı oluşturur. Bununla birlikte, plazmadaki akım sürekli olarak muhafaza edilmelidir, bu da manyetik akının sürekli olarak bir yönde değişmesi gerektiği anlamına gelir. Bu elbette imkansızdır, bu nedenle tokamaklardaki akım yalnızca sınırlı bir süre (saniyenin kesirlerinden birkaç saniyeye kadar) korunabilir. Neyse ki, harici bir girdap alanı olmayan bir plazmada meydana gelen, sözde önyükleme akımı keşfedildi. Ek olarak, plazmayı ısıtmak ve aynı anda içinde gerekli halka akımını indüklemek için yöntemler geliştirilmiştir. Birlikte, bu, sıcak bir plazmayı keyfi olarak uzun süre korumayı mümkün kıldı. Uygulamada, rekor şu anda plazmanın altı dakikadan fazla sürekli "yandığı" Tore Supra tokamak'a ait.

Büyük umutların ilişkilendirildiği ikinci tip plazma hapsetme tesisleri, yıldızlaştırıcılardır. Geçtiğimiz yıllarda, yıldızlaştırıcıların tasarımı önemli ölçüde değişti. Orijinal G8'den geriye neredeyse hiçbir şey kalmadı ve bu kurulumlar tokamaklara çok daha yakın hale geldi. Yıldızlaştırıcıların hapsedilme süresi tokamaklardan daha kısa olmasına (daha az verimli H-modundan dolayı) ve yapım maliyetinin daha yüksek olmasına rağmen, içlerindeki plazma davranışı daha sessizdir, bu da vakum odasının ilk iç duvarının daha uzun hizmet ömrü anlamına gelir. Termonükleer füzyonun ticari gelişimi için bu faktör büyük önem taşımaktadır.

reaksiyon seçimi

İlk bakışta saf döteryum, füzyon yakıtı için en mantıklı seçimdir: nispeten ucuz ve güvenlidir. Bununla birlikte, döteryum, döteryum ile trityumdan yüz kat daha az reaksiyona girer. Bu, bir reaktörün bir döteryum ve trityum karışımı üzerinde çalışması için 10 keV'lik bir sıcaklığın yeterli olduğu ve saf döteryum üzerinde çalışması için 50 keV'den daha yüksek bir sıcaklığın gerekli olduğu anlamına gelir. Ve sıcaklık ne kadar yüksek olursa, enerji kaybı da o kadar yüksek olur. Bu nedenle en azından ilk kez termonükleer enerjinin döteryum-trityum yakıtı üzerine inşa edilmesi planlanıyor. Bu durumda, içinde oluşan hızlı lityum nötronlarla ışınlama nedeniyle reaktörün kendisinde trityum üretilecektir.
"Yanlış" nötronlar. Kült film "Bir Yılın 9 Günü" nde ana karakter bir termonükleer tesiste çalışırken ciddi dozda nötron radyasyonu aldı. Ancak daha sonra bu nötronların bir füzyon reaksiyonu sonucunda üretilmediği ortaya çıktı. Bu yönetmenin bir icadı değil, Z-pinch'lerde gözlemlenen gerçek bir etki. Elektrik akımının kesildiği anda, plazmanın endüktansı çok büyük bir voltajın (milyonlarca volt) üretilmesine yol açar. Bu alanda hızlanan ayrı hidrojen iyonları, kelimenin tam anlamıyla nötronları elektrotlardan çıkarabilir. İlk başta, bu fenomen gerçekten de bir termonükleer reaksiyonun kesin bir işareti olarak alındı, ancak daha sonra nötron enerji spektrumunun analizi, bunların farklı bir kökene sahip olduğunu gösterdi.
Gelişmiş tutma modu. Bir tokamak'ın H modu, yüksek bir ek ısıtma gücünde plazmanın enerji kayıpları keskin bir şekilde azaldığında böyle bir çalışma rejimidir. 1982'de iyileştirilmiş hapsetme modunun tesadüfi keşfi, tokamak'ın kendisinin icadı kadar önemlidir. Bu fenomenin genel kabul görmüş bir teorisi henüz mevcut değildir, ancak bu, pratikte kullanılmasını en azından engellemez. Tüm modern tokamaklar, kayıpları yarıdan fazla azalttığı için bu modda çalışır. Daha sonra benzer bir rejim, yıldız yıldızlarda da bulundu, bu da bunun toroidal sistemlerin genel bir özelliği olduğunu gösteriyor, ancak bunlar üzerindeki sınırlama yalnızca yaklaşık %30 oranında iyileşiyor.
Plazma ısıtma. Plazmayı füzyon sıcaklıklarına ısıtmak için üç ana yöntem vardır. Ohmik ısıtma, içinden bir elektrik akımının akışı nedeniyle bir plazmanın ısınmasıdır. Plazmanın elektrik direnci artan sıcaklıkla birlikte azaldığından, bu yöntem en çok ilk aşamalarda etkilidir. Elektromanyetik ısıtma, elektronların veya iyonların manyetik alan çizgileri etrafındaki dönme frekansıyla eşleşen bir frekansa sahip elektromanyetik dalgalar kullanır. Hızlı nötr atomlar enjekte edildiğinde, daha sonra nötr hale getirilen ve enerjilerini oraya aktarmak için manyetik alandan plazmanın merkezine geçebilen nötr atomlara dönüşen bir negatif iyon akışı oluşturulur.
Onlar reaktör mü? Trityum radyoaktiftir ve D-T reaksiyonundan gelen güçlü nötron ışınlaması, reaktörün yapısal elemanlarında indüklenmiş radyoaktivite yaratır. İşi zorlaştıran robotları kullanmak zorundayız. Aynı zamanda, sıradan bir hidrojen veya döteryum plazmasının davranışı, bir döteryum ve trityum karışımından elde edilen bir plazmanın davranışına çok yakındır. Bu, tüm tarih boyunca yalnızca iki termonükleer tesisin tam olarak bir döteryum ve trityum karışımı üzerinde çalıştığı gerçeğine yol açtı: TFTR ve JET tokamaklar. Diğer tesislerde döteryum bile her zaman kullanılmaz. Bu nedenle, tesisin tanımındaki "termonükleer" adı, içinde termonükleer reaksiyonların gerçekten meydana geldiği anlamına gelmez (ve meydana geldiklerinde, neredeyse her zaman saf döteryum kullanılır).
hibrit reaktör. D-T reaksiyonu, tükenmiş uranyumu bile parçalayabilen 14 MeV nötron üretir. Bir uranyum çekirdeğinin bölünmesine, füzyon sırasında salınan enerjiden on kat daha fazla olan yaklaşık 200 MeV enerjinin salınması eşlik eder. Halihazırda var olan tokamaklar, bir uranyum kabuğuyla çevrelenmişlerse enerjik olarak karlı hale gelebilirler. Fisyon reaktörlerine göre, bu tür hibrit reaktörler, içlerinde kontrolsüz bir zincirleme reaksiyon geliştirememe avantajına sahip olacaktır. Ek olarak, son derece yoğun nötron akışları, uzun ömürlü uranyum fisyon ürünlerini kısa ömürlü ürünlere dönüştürmelidir, bu da atık bertarafı sorununu önemli ölçüde azaltır.

atalet umutları

Atalet sentezi de sabit durmuyor. Lazer teknolojisinin onlarca yıllık gelişimi boyunca, lazerlerin verimliliğini yaklaşık on kat artırma olasılığı ortaya çıktı. Ve uygulamadaki güçleri yüzlerce ve binlerce kez artırıldı. Termonükleer uygulamalara uygun parametrelere sahip ağır iyon hızlandırıcılar üzerinde de çalışmalar devam etmektedir. Ayrıca "hızlı ateşleme" kavramı, eylemsiz füzyon alanındaki ilerlemede en önemli faktör haline geldi. İki darbenin kullanılmasını içerir: biri füzyon yakıtını sıkıştırır ve diğeri bunun küçük bir bölümünü ısıtır. Yakıtın küçük bir kısmında başlayan reaksiyonun daha sonra daha da yayılacağı ve tüm yakıtı kaplayacağı varsayılmaktadır. Bu yaklaşım, enerji maliyetlerini önemli ölçüde düşürmeyi ve dolayısıyla reaksiyona giren yakıtın daha küçük bir kısmıyla reaksiyonu karlı hale getirmeyi mümkün kılar.

Tokamakların sorunları

Diğer türlerdeki kurulumlardaki ilerlemeye rağmen, tokamaklar şu anda hala rekabet dışıdır: 1990'larda iki tokamak (TFTR ve JET), yaklaşık olarak plazmayı ısıtmak için harcanan enerjiye eşit bir termonükleer enerji salınımı gerçekleştirseydi (böyle bir rejim sadece bir saniye kadar sürse bile), diğer kurulum türlerinde bu türden hiçbir şey elde edilemezdi. Tokamakların büyüklüğündeki basit bir artış bile, içlerinde enerjik olarak uygun sentezin fizibilitesine yol açacaktır. Uluslararası bir reaktör olan ITER şu anda Fransa'da inşa ediliyor ve bunun pratikte gösterilmesi gerekecek.

Ancak tokamakların da sorunları var. ITER, gelecekteki ticari reaktörler için kabul edilemez olan milyarlarca dolara mal oluyor. Haftalar ve aylar bir yana, hiçbir reaktör birkaç saat boyunca bile sürekli olarak çalışmıyor ki bu yine endüstriyel uygulamalar için gerekli. Vakum odasının iç duvarındaki malzemelerin plazmaya uzun süre maruz kalmaya dayanabileceği henüz kesin değil.

Güçlü bir alana sahip bir tokamak konsepti, projeyi daha ucuz hale getirebilir. Alanı iki veya üç kat artırarak, nispeten küçük bir kurulumda gerekli plazma parametrelerinin elde edilmesi planlanmaktadır. Özellikle Ateşleyici reaktörü, İtalyan meslektaşlarıyla birlikte Moskova yakınlarındaki TRINITI'de (Trinity İnovasyon ve Termonükleer Araştırma Enstitüsü) inşa edilmeye başlanan böyle bir konsepte dayanmaktadır. Mühendislerin hesaplamaları haklı çıkarsa, ITER'ye kıyasla çok daha düşük bir fiyata bu reaktörde plazma ateşlemesi elde etmek mümkün olacaktır.

Yıldızlara doğru ilerleyin!

Bir termonükleer reaksiyonun ürünleri, saniyede binlerce kilometre hızlarda farklı yönlerde dağılır. Bu, ultra verimli roket motorları oluşturmayı mümkün kılar. Spesifik dürtüleri, en iyi elektrikli jet motorlarından daha yüksek olacaktır ve bu durumda enerji tüketimi negatif bile olabilir (teorik olarak, enerji tüketmek yerine üretmek mümkündür). Dahası, bir füzyon roket motoru yapmanın yer tabanlı bir reaktörden daha kolay olacağına inanmak için her türlü neden var: süper iletken mıknatısların ısı yalıtımı ile vakum oluşturmakta bir sorun yok, boyut kısıtlaması yok vb. Ek olarak, motor tarafından elektrik üretimi arzu edilir, ancak hiç de gerekli değildir, çok fazla tüketmemesi yeterlidir.

elektrostatik tutma

Elektrostatik iyon hapsi kavramı, "füzör" adı verilen bir aparat örneği ile en kolay şekilde anlaşılır. Negatif bir potansiyelin uygulandığı küresel bir ağ elektroduna dayanır. Ayrı bir hızlandırıcıda veya merkezi elektrotun kendi alanı tarafından hızlandırılan iyonlar buna girer ve orada elektrostatik alan tarafından tutulur: iyon dışarı fırlama eğilimindeyse, elektrot alanı onu geri döndürür. Ne yazık ki, bir iyonun ızgarayla çarpışma olasılığı, bir füzyon reaksiyonuna girme olasılığından çok daha yüksektir, bu da enerjik olarak uygun bir reaksiyonu imkansız kılar. Bu tür kurulumlar, yalnızca nötron kaynakları olarak uygulama bulmuştur.
Sansasyonel bir keşif yapma çabasıyla, birçok bilim adamı mümkün olan her yerde sentez görmeye çalışır. Basında sözde "soğuk füzyon"un çeşitli varyantları hakkında çok sayıda haber çıktı. Sentez, içlerinden bir elektrik akımı geçtiğinde, döteryum ile doymuş sıvıların elektrolizi sırasında, içlerinde kavitasyon kabarcıklarının oluşumu sırasında ve ayrıca diğer durumlarda döteryum ile "emprenye edilmiş" metallerde bulundu. Bununla birlikte, bu deneylerin çoğu, diğer laboratuvarlarda tatmin edici bir şekilde yeniden üretilebilirliğe sahip değildi ve sonuçları neredeyse her zaman sentez kullanılmadan açıklanabilir.
"Felsefe taşı" ile başlayan ve daha sonra "sürekli hareket makinesine" dönüşen "muhteşem geleneği" sürdüren birçok modern dolandırıcı, şimdi onlardan bir "soğuk füzyon jeneratörü", "kavitasyon reaktörü" ve diğer "yakıtsız jeneratörler" satın almayı teklif ediyor: herkes felsefe taşını çoktan unuttu, sürekli hareket makinesine inanmıyorlar, ancak şimdi nükleer füzyon kulağa oldukça ikna edici geliyor. Ancak, ne yazık ki, aslında, bu tür enerji kaynakları henüz mevcut değil (ve oluşturulabilecekleri zaman, tüm haber bültenlerinde olacak). Bu nedenle, farkında olun: Eğer size soğuk nükleer füzyon yoluyla enerji üreten bir cihaz satın almanız teklif edilirse, o zaman onlar sadece sizi "aldatmaya" çalışıyorlardır!

Ön tahminlere göre, mevcut teknoloji seviyesinde bile, güneş sisteminin gezegenlerine uçmak için (uygun finansman ile) bir termonükleer roket motoru oluşturmak mümkündür. Bu tür motorların teknolojisine hakim olmak, insanlı uçuşların hızını onlarca kat artıracak ve gemide büyük yedek yakıt rezervlerine sahip olmayı mümkün kılacak, bu da Mars'a uçmayı şu anda ISS'de çalışmaktan daha zor hale getirmeyecek. Otomatik istasyonlar için potansiyel olarak ışık hızının %10'u kadar hızlar kullanılabilir hale gelecek, bu da yaratıcıları hayattayken en yakın yıldızlara araştırma sondaları gönderme ve bilimsel veriler elde etme olasılığı anlamına geliyor.

Atalet füzyonuna dayalı bir termonükleer roket motoru konsepti şu anda en gelişmiş olarak kabul ediliyor. Aynı zamanda, motor ve reaktör arasındaki fark, yüklü reaksiyon ürünlerini bir yönde yönlendiren manyetik alanda yatmaktadır. İkinci seçenek, fişlerden birinin kasıtlı olarak zayıflatıldığı açık bir tuzağın kullanılmasını içerir. Dışarı akan plazma reaktif bir kuvvet yaratacaktır.

termonükleer gelecek

Termonükleer füzyonda ustalaşmanın, ilk başta göründüğünden çok daha zor olduğu ortaya çıktı. Ve pek çok sorun halihazırda çözülmüş olsa da, geri kalanlar binlerce bilim insanı ve mühendisin önümüzdeki birkaç on yıllık sıkı çalışmasına dayanacak. Ancak hidrojen ve helyum izotoplarının dönüşümlerinin bizim için açtığı umutlar o kadar büyük ve halihazırda katedilen yol o kadar önemli ki, yarı yolda durmanın bir anlamı yok. Pek çok şüpheci ne derse desin, gelecek kesinlikle sentezde.

Termonükleer reaktör E.P. Velikhov, S.V. Putvinski

E.P. Velikhov, S.V. Putvinsky.
Dünya Bilim Adamları Federasyonu Enerji Merkezi çerçevesinde hazırlanan 22.10.1999 tarihli rapor

dipnot

Bu makale, termonükleer araştırmaların mevcut durumuna kısa bir genel bakış sunar ve 21. yüzyılın enerji sisteminde termonükleer enerjiye yönelik beklentileri ana hatlarıyla belirtir. İnceleme, fizik ve mühendisliğin temellerine aşina olan geniş bir okuyucu kitlesine yöneliktir.

Modern fiziksel kavramlara göre, prensipte insanoğlunun hakim olabileceği ve kullanabileceği yalnızca birkaç temel enerji kaynağı vardır. Nükleer füzyon reaksiyonları böyle bir enerji kaynağıdır. Füzyon reaksiyonlarında, hafif elementlerin çekirdeklerinin füzyonu ve daha ağır çekirdeklerin oluşumu sırasında gerçekleştirilen nükleer kuvvetlerin çalışması nedeniyle enerji üretilir. Bu reaksiyonlar doğada yaygındır - Güneş de dahil olmak üzere yıldızların enerjisinin, bir hidrojen atomunun dört çekirdeğini bir helyum çekirdeğine dönüştüren bir nükleer füzyon reaksiyonları zincirinin bir sonucu olarak üretildiğine inanılmaktadır. Güneş'in Dünya'nın ekolojik sistemine enerji sağlayan büyük bir doğal termonükleer reaktör olduğunu söyleyebiliriz.

Şu anda, insan tarafından üretilen enerjinin% 85'inden fazlası, kömür, petrol ve doğal gaz gibi organik yakıtların yakılmasıyla elde edilmektedir. Yaklaşık 200-300 yıl önce insanın hakim olduğu bu ucuz enerji kaynağı, insan toplumunun hızlı gelişmesine, refahına ve sonuç olarak Dünya nüfusunun artmasına yol açtı. Nüfus artışı ve bölgeler genelinde daha eşit enerji tüketimi nedeniyle, enerji üretiminin 2050 yılına kadar mevcut seviyeye kıyasla yaklaşık üç kat artacağı ve yılda 10 21 J'ye ulaşacağı varsayılmaktadır. Hiç şüphe yok ki yakın gelecekte eski enerji kaynağı olan fosil yakıtların yerini başka enerji üretimi türleri almak zorunda kalacak. Bu, hem doğal kaynakların tükenmesi hem de uzmanlara göre ucuz doğal kaynakların geliştirilmesinden çok daha önce gerçekleşmesi gereken çevre kirliliği nedeniyle gerçekleşecek (mevcut enerji üretim yöntemi, atmosferi günlük 17 milyon ton karbondioksit ve yakıtların yanmasıyla ilişkili diğer gazları yayan bir çöplük olarak kullanıyor). Fosil yakıtlardan büyük ölçekli alternatif enerjiye geçişin 21. yüzyılın ortalarında gerçekleşmesi bekleniyor. Geleceğin enerji sektörünün, güneş enerjisi, rüzgar enerjisi, hidroelektrik, biyokütle ekimi ve yakma ve nükleer enerji gibi yenilenebilir enerji de dahil olmak üzere çeşitli enerji kaynaklarını kullanarak mevcut enerji sisteminden daha kapsamlı olacağı öngörülmektedir. Her bir enerji kaynağının ve toplam enerji üretimindeki payı, enerji tüketiminin yapısı ve bu enerji kaynaklarının her birinin ekonomik verimliliği ile belirlenecektir.

Günümüzün endüstriyel toplumunda, enerjinin yarısından fazlası, günün saati veya mevsimi ne olursa olsun, sürekli tüketim şeklinde kullanılmaktadır. Günlük ve mevsimsel dalgalanmalar, bu sabit temel gücün üzerine bindirilir. Bu nedenle enerji sistemi, topluma sabit veya yarı kalıcı düzeyde enerji sağlayan temel enerji ve ihtiyaç duyuldukça kullanılan enerji kaynaklarından oluşmalıdır. Enerji tüketiminin değişken bileşeninde ağırlıklı olarak güneş enerjisi, biyokütle yakma vb. yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması beklenmektedir. Temel enerji için ana ve tek aday nükleer enerjidir. Şu anda, enerji elde etmek için yalnızca modern nükleer santrallerde kullanılan nükleer fisyon reaksiyonlarına hakim olunmuştur. Kontrollü termonükleer füzyon şimdiye kadar sadece temel enerji için potansiyel bir adaydır.

Termonükleer füzyonun, büyük ölçekli bir termonükleer enerji gelişimi için umut vermemizi sağlayan nükleer fisyon reaksiyonlarına kıyasla ne gibi avantajları vardır? Ana ve temel fark, nükleer fisyon reaktörleri için tipik olan uzun ömürlü radyoaktif atıkların yokluğunda yatmaktadır. Ve birinci duvar, bir termonükleer reaktörün çalışması sırasında nötronlar tarafından aktive edilmesine rağmen, uygun düşük aktifliğe sahip yapısal malzemelerin seçimi, reaktörün kapatılmasından otuz yıl sonra birinci duvarın indüklenen aktivitesinin tamamen güvenli bir seviyeye düşeceği bir termonükleer reaktör yaratma temel olasılığını açar. Bu, süresi dolmuş reaktörün yalnızca 30 yıl süreyle rafa kaldırılması gerekeceği, ardından malzemelerin geri dönüştürülebileceği ve yeni bir füzyon reaktöründe kullanılabileceği anlamına gelir. Bu durum, on binlerce yıl boyunca işlenmesi ve depolanması gereken radyoaktif atık üreten fisyon reaktörlerinden temelde farklıdır. Düşük radyoaktiviteye ek olarak, termonükleer enerji, enerji üretimi için ve binlerce olmasa da yüzlerce yıl boyunca yeterli olan devasa, neredeyse tükenmez yakıt ve diğer gerekli malzeme rezervlerine sahiptir.

Başlıca nükleer ülkeleri 1950'lerin ortalarında kontrollü termonükleer füzyon konusunda geniş çaplı araştırmalar yapmaya iten bu avantajlardı. O zamana kadar, karasal koşullar altında enerji ve nükleer füzyon kullanmanın temel olasılığını doğrulayan, Sovyetler Birliği ve Amerika Birleşik Devletleri'nde hidrojen bombalarının ilk başarılı testleri zaten yapılmıştı. En başından beri, kontrollü termonükleer füzyonun askeri bir uygulaması olmadığı anlaşıldı. 1956'da araştırmanın gizliliği kaldırıldı ve o zamandan beri kapsamlı uluslararası işbirliği çerçevesinde yürütülüyor. Hidrojen bombası sadece birkaç yıl içinde yaratıldı ve o zamanlar hedefin yakın olduğu ve 50'li yılların sonunda inşa edilen ilk büyük deney tesislerinin termonükleer plazma alacağı görülüyordu. Bununla birlikte, termonükleer güç salınımının reaksiyona giren karışımın ısıtma gücüyle karşılaştırılabilir olduğu koşulları yaratmak 40 yıldan fazla araştırma gerektirdi. 1997 yılında Avrupa'nın en büyük termonükleer tesisi olan TOKAMAK (JET) 16 MW termonükleer güç aldı ve bu eşiğe yaklaştı.

Böyle bir gecikmenin sebebi neydi? Amaca ulaşmak için fizikçilerin ve mühendislerin yolculuğun başında hiçbir fikirleri olmadığı birçok sorunu çözmeleri gerektiği ortaya çıktı. Bu 40 yıl boyunca, reaksiyona giren karışımda meydana gelen karmaşık fiziksel süreçleri anlamayı ve tanımlamayı mümkün kılan bir bilim - plazma fiziği yaratıldı. Mühendislerin, büyük hacimlerde derin bir vakum oluşturma, uygun yapısal malzemeleri seçme ve test etme, büyük süper iletken mıknatıslar, güçlü lazerler ve X-ışını kaynakları geliştirme, güçlü parçacık ışınları oluşturabilen darbeli güç sistemleri geliştirme, bir karışımı yüksek frekansta ısıtmak için yöntemler geliştirme ve çok daha fazlası dahil olmak üzere eşit derecede zor sorunları çözmesi gerekiyordu.

4. Bölüm, manyetik hapsetme ve darbeli sistemleri içeren manyetik kontrollü füzyon alanındaki araştırmaların gözden geçirilmesine ayrılmıştır. Bu incelemenin çoğu, plazmanın manyetik olarak hapsedilmesi için en gelişmiş sistemler olan TOKAMAK tipi cihazlara ayrılmıştır.

Bu incelemenin hacmi, kontrollü termonükleer füzyon araştırmalarının yalnızca en önemli yönlerini tartışmamıza izin veriyor. Bu sorunun çeşitli yönleriyle ilgili daha derin bir çalışmayla ilgilenen okuyucunun inceleme literatürüne başvurması tavsiye edilebilir. Kontrollü termonükleer füzyon konusunda geniş bir literatür bulunmaktadır. Özellikle, hem kontrollü termonükleer araştırmanın kurucuları tarafından yazılan, şimdiden klasik haline gelen kitaplardan hem de örneğin termonükleer araştırmanın mevcut durumunu özetleyen çok yeni yayınlardan bahsetmeliyiz.

Enerjinin serbest bırakılmasına yol açan pek çok nükleer füzyon reaksiyonları olmasına rağmen, nükleer enerjinin pratik amaçları için ve sadece Tablo 1'de gösterilen reaksiyonlar ilgi çekicidir. Burada ve aşağıda hidrojen izotoplarının standart tanımını kullanıyoruz: p, atom kütlesi 1 olan bir proton, D, atom kütlesi 2 olan bir döteron ve T, kütlesi 3 olan bir izotop olan trityumdur. Trityum hariç, bu reaksiyonlarda yer alan tüm çekirdekler kararlıdır. Trityum, yarı ömrü 12.3 yıl olan radyoaktif bir hidrojen izotopudur. β bozunmasının bir sonucu olarak, düşük enerjili bir elektron yayarak He 3'e dönüşür. Nükleer fisyon reaksiyonlarından farklı olarak, füzyon reaksiyonları, radyoaktif atıkların uzun süreli depolanması sorunuyla yükümlü olmayan "temiz" bir reaktör yaratmayı ilke olarak mümkün kılan, ağır çekirdeklerin uzun ömürlü radyoaktif parçalarını üretmez.

Tablo 1.
Kontrollü füzyon için ilgili nükleer reaksiyonlar

Sonuncusu hariç, Tablo 1'deki tüm reaksiyonlar, enerjinin serbest bırakılmasıyla ve kinetik enerji ve reaksiyon ürünleri, q, milyonlarca elektronvolt (MeV) cinsinden parantez içinde gösterilir) şeklinde gerçekleşir.
(1 eV = 1,6 10 –19 J = 11600 °K). Son iki reaksiyon, kontrollü füzyonda özel bir rol oynar - bunlar, doğada bulunmayan trityum üretmek için kullanılacaktır.

Nükleer füzyon reaksiyonları 1-5, genellikle reaksiyon kesiti σ ile karakterize edilen nispeten yüksek bir reaksiyon hızına sahiptir. Tablo 1'deki reaksiyon kesitleri, Şekil 1'de kütle merkezi sistemindeki enerji ve çarpışan parçacıkların bir fonksiyonu olarak gösterilmektedir.

Çekirdekler arasında Coulomb itmesinin varlığı nedeniyle, düşük enerjili reaksiyonlar ve parçacıklar için enine kesitler önemsizdir ve bu nedenle, normal sıcaklıkta, hidrojen ve diğer hafif atomların izotoplarının bir karışımı pratikte reaksiyona girmez. Bu reaksiyonların herhangi birinin kayda değer bir enine kesite sahip olması için, çarpışan parçacıkların büyük bir kinetik enerjiye sahip olması gerekir. Daha sonra parçacıklar Coulomb bariyerini aşabilecek, nükleer mertebesinde bir mesafeden yaklaşabilecek ve reaksiyona girebilecektir. Örneğin, döteryumun trityum ile reaksiyonu için maksimum kesit, yaklaşık 80 KeV'lik parçacık enerjilerinde elde edilir ve DT karışımının yüksek reaksiyon hızına sahip olması için, sıcaklığının yüz milyon derece ölçeğinde olması gerekir, T = 10 8 °K.

Hemen akla gelen enerji ve nükleer füzyon üretmenin en kolay yolu, bir iyon hızlandırıcı kullanmak ve örneğin bir enerjiye ve 100 keV'ye hızlandırılmış trityum iyonlarını, döteryum iyonları içeren katı veya gaz bir hedefi bombalamaktır. Bununla birlikte, enjekte edilen iyonlar, hedefin soğuk elektronlarıyla çarpışarak çok hızlı yavaşlarlar ve başlangıçtaki (yaklaşık 100 KeV) ve reaksiyonda üretilen enerjideki (yaklaşık 10 MeV) büyük farka rağmen, hızlanmaları için gereken enerji maliyetlerini karşılayacak kadar enerji üretecek zamanları yoktur. Başka bir deyişle, böyle bir enerji üretimi “yöntemi” ve enerji yeniden üretim oranı ile ve,
Q fus = P sentezi / P maliyeti 1'den az olacaktır.

Q fus değerini artırmak için hedef elektronlar ısıtılabilir. Daha sonra hızlı iyonlar yavaşlayacak ve Q fus artacaktır. Bununla birlikte, birkaç KeV mertebesinde yalnızca çok yüksek bir hedef sıcaklıkta pozitif bir verim elde edilir. Böyle bir sıcaklıkta, hızlı iyonların enjeksiyonu artık temel değildir, karışımda kendileri reaksiyona giren yeterli miktarda enerjik termal iyon vardır. Başka bir deyişle, karışımda termonükleer reaksiyonlar veya termonükleer füzyon meydana gelir.

Termonükleer reaksiyonların hızı, Şekil 1'de gösterilen reaksiyon kesitinin denge Maxwell partikül dağılım fonksiyonu üzerinden entegre edilmesiyle hesaplanabilir. Sonuç olarak, reaksiyon hızı elde edilebilir K(T) birim hacim başına meydana gelen reaksiyon sayısını belirleyen, n 1 n 2 K(T) ve sonuç olarak, enerji salınımının ve reaksiyona giren karışımın kütle yoğunluğu,

Pfus = q n 1 n 2 K(T) (1)

son formülde n 1 n 2- reaksiyona giren bileşenlerin hacim konsantrasyonları, T reaksiyona giren parçacıkların sıcaklığı ve Q- reaksiyonun enerji verimi Tablo 1'de verilmiştir.

Reaksiyona giren karışımın yüksek sıcaklık özelliğinde, karışım plazma halindedir, yani; Kolektif elektromanyetik alanlar nedeniyle birbirleriyle etkileşime giren serbest elektronlardan ve pozitif yüklü iyonlardan oluşur. Plazma parçacıklarının hareketiyle kendi kendine tutarlı olan elektromanyetik alanlar, plazma dinamiklerini belirler ve özellikle onun yarı-nötrlüğünü korur. Çok yüksek doğrulukla, plazmadaki iyonların ve elektronların yük yoğunluğu birbirine eşittir, n e = Zn z , burada Z iyonun yüküdür (hidrojen izotopları için Z = 1). İyonik ve elektronik bileşenler, Coulomb çarpışmaları nedeniyle enerji alışverişinde bulunur ve termonükleer uygulamalar için tipik olan plazma parametrelerinde sıcaklıkları yaklaşık olarak eşittir.

Karışımın yüksek sıcaklığı için ek enerji maliyeti ödemeniz gerekir. İlk olarak, iyonlarla çarpıştıklarında elektronlar tarafından yayılan bremsstrahlung'u hesaba katmamız gerekir:

Bremsstrahlung gücü ve karışımdaki termonükleer reaksiyonların gücü, plazma yoğunluğunun karesiyle orantılıdır ve bu nedenle, P fus /Pb oranı yalnızca plazma sıcaklığına bağlıdır. Bremsstrahlung, termonükleer reaksiyonların gücünün aksine, plazma sıcaklığına zayıf bir şekilde bağlıdır, bu da termonükleer reaksiyonların gücünün bremsstrahlung kayıplarının gücüne eşit olduğu plazma sıcaklığında bir alt sınırın varlığına yol açar, P fus /P b = 1. Eşiğin altındaki bir sıcaklıkta, bremsstrahlung gücü termonükleer enerji salınımını aşar ve bu nedenle soğuk bir karışımda pozitif enerji verimi imkansızdır ve imkansızdır. Döteryum ve trityum karışımı en düşük sınır sıcaklığına sahiptir, ancak bu durumda bile karışımın sıcaklığı 3 KeV'yi (3,5 · 10 · 7 °K) geçmelidir. DD ve DHe3 reaksiyonları için eşik sıcaklıkları, DT reaksiyonundan yaklaşık olarak bir kat daha yüksektir. Bir protonun bor ile reaksiyonu için, bremsstrahlung herhangi bir sıcaklıkta reaksiyon verimini aşar ve bu nedenle, bu reaksiyonu kullanmak için elektron sıcaklığının iyon sıcaklığından düşük olduğu veya plazma yoğunluğunun radyasyonun çalışan karışım tarafından emileceği kadar yüksek olduğu özel tuzaklara ihtiyaç vardır.

Pozitif bir reaksiyon verimi için karışımın yüksek sıcaklığına ek olarak, sıcak karışımın reaksiyonların meydana gelmesi için yeterince uzun süre dayanması gerekir. Sonlu boyutlara sahip herhangi bir termonükleer sistemde, gücü termonükleer enerji salınımını aşmaması gereken, bremsstrahlung'a ek olarak (örneğin, termal iletkenlik, safsızlıkların hat emisyonu vb. Nedeniyle) plazmadan enerji kaybı kanalları vardır. Genel durumda, ek enerji kayıpları ve 3nT / tE oranı birim plazma hacmi başına güç kaybını verecek şekilde tanımlanan plazma enerjisi ömrü tE ile karakterize edilebilir. Açıkçası, pozitif bir verim için, füzyon gücünün, plazmanın minimum yoğunluk-zaman ürünü, nt E koşulunu veren ek kayıpların gücünü, P fus > 3nТ / t E aşması gerekir. Örneğin, bir DT reaksiyonu için şu gereklidir:

nt E > 5 10 19 s/m 3 (3)

Bu koşul genellikle Lawson kriteri olarak adlandırılır (kesin olarak, orijinal çalışmada, Lawson kriteri bir termonükleer reaktörün belirli bir şeması için türetilmiştir ve (3) 'ün aksine, termal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürme verimliliğini içerir. Yukarıda yazıldığı formda, kriter pratik olarak termonükleer sistemden bağımsızdır ve pozitif bir verim için genelleştirilmiş gerekli bir koşuldur. Diğer reaksiyonlar için Lawson kriteri, DT reaksiyonundan bir veya iki kat daha yüksektir ve eşik sıcaklığı da daha yüksektir. Cihazın pozitif bir çıktı elde etmeye olan yakınlığı, genellikle Şekil 2'de gösterilen T - nt E düzleminde gösterilir.

nt E

İncir. 2. T-nt E düzleminde pozitif nükleer reaksiyon verimi olan bölge.
Termonükleer plazmanın hapsedilmesi için çeşitli deneysel tesislerin başarıları gösterilmektedir.

DT reaksiyonlarının daha kolay uygulandığı görülebilir - DD reaksiyonlarından önemli ölçüde daha düşük bir plazma sıcaklığı gerektirirler ve hapsetme konusunda daha az katı koşullar uygularlar. Modern termonükleer program, kontrollü DT füzyonunun uygulanmasını amaçlamaktadır.

Bu nedenle, kontrollü termonükleer reaksiyonlar prensip olarak mümkündür ve termonükleer araştırmanın ana görevi, diğer enerji kaynaklarıyla ekonomik olarak rekabet edebilecek pratik bir cihazın geliştirilmesidir.

50 yılı aşkın bir süredir icat edilen tüm cihazlar iki büyük sınıfa ayrılabilir: 1) sıcak plazmanın manyetik olarak hapsedilmesine dayanan sabit veya yarı sabit sistemler; 2) dürtü sistemleri. İlk durumda, plazma yoğunluğu düşüktür ve sistemdeki iyi enerji hapsedilmesi nedeniyle Lawson kriteri elde edilir, örn. uzun enerji plazma ömrü. Bu nedenle, manyetik sınırlamaya sahip sistemler, birkaç metre mertebesinde karakteristik bir plazma boyutuna ve nispeten düşük bir plazma yoğunluğuna sahiptir, n ~ 10 · 20 m -3 (bu, normal basınçta ve oda sıcaklığında atomların yoğunluğundan yaklaşık 10 · 5 kat daha düşüktür).

Darbeli sistemlerde, termonükleer hedeflerin lazer veya X-ışını radyasyonu ile sıkıştırılması ve çok yüksek yoğunluklu bir karışım oluşturulmasıyla Lawson kriteri sağlanır. Darbeli sistemlerde ömür kısadır ve hedefin serbest genişlemesi ile belirlenir. Kontrollü termonükleer füzyonun bu yönündeki temel fiziksel zorluk, toplam enerjiyi ve patlamayı pratik bir termonükleer reaktör yapmayı mümkün kılacak bir düzeye indirmektir.

Her iki sistem türü de, gelecekteki füzyon reaktörlerinin ana elemanlarının test edileceği, pozitif enerji çıkışı ve Q fus > 1 olan deneysel makineler oluşturmaya çok yakın. Bununla birlikte, füzyon cihazları tartışmasına geçmeden önce, sistemin özel tasarımından büyük ölçüde bağımsız olan gelecekteki bir füzyon reaktörünün yakıt çevrimini ele alacağız.

1) TOKAMAK T-15 şimdiye kadar sadece omik plazma ısıtmalı rejimde çalıştırılmıştır ve bu nedenle bu tesiste elde edilen plazma parametreleri oldukça düşüktür. Gelecekte, 10 MW nötr enjeksiyon ve 10 MW elektron siklotron ısıtması yapılması öngörülmektedir.

2) Verilen Q fus, kurulumda elde edilen DD plazmasının parametrelerinden DT plazmasına yeniden hesaplanır.

Ve bu TOKAMAKS üzerindeki deneysel program henüz tamamlanmamış olsa da, bu nesil makineler pratik olarak kendisine verilen görevleri yerine getirmiştir. TOKAMAKS JET ve TFTR ilk kez plazmada DT reaksiyonlarının büyük bir termonükleer gücünü, TFTR'de 11 MW ve JET'te 16 MW aldı. Şekil 6, DT deneylerinde termonükleer gücün zamana bağımlılıklarını göstermektedir.

Şekil 6. JET ve TFTR tokamaklarında rekor kıran döteryum-trityum deşarjlarında termonükleer gücün zamana bağlılığı.

TOKAMAKS'ın bu nesli, Q fus = 1 eşik değerine ulaştı ve tam ölçekli bir TOKAMAK reaktörü için gerekenden yalnızca birkaç kat daha düşük nt E elde etti. TOKAMAKS'ta RF alanları ve nötr ışınlar kullanarak sabit bir plazma akımının nasıl sağlanacağını öğrendiler. Termonükleer alfa parçacıkları da dahil olmak üzere hızlı parçacıklarla plazma ısıtma fiziği incelendi, saptırıcının çalışması incelendi ve düşük termal yüklerle çalışma modları geliştirildi. Bu çalışmaların sonuçları, bir sonraki adım olan yanma modunda çalışacak ilk TOKAMAK reaktörü için gerekli fiziksel temellerin oluşturulmasını mümkün kıldı.

TOKAMAKS'ta plazma parametreleri üzerindeki fiziksel sınırlamalar nelerdir?

TOKAMAK'ta maksimum plazma basıncı veya maksimum değer β plazma stabilitesi ile belirlenir ve yaklaşık olarak Troyon ilişkisi ile tanımlanır,

Nerede β olarak ifade edildi %, ip plazmada akan akımdır ve β N Troyon katsayısı adı verilen boyutsuz bir sabittir. (5)'teki parametreler MA, T, m boyutlarına sahiptir Troyon katsayısının maksimum değerleri β N= Deneylerde elde edilen 3÷5, plazma stabilitesi hesaplamalarına dayanan teorik tahminlerle iyi bir uyum içindedir. Şekil 7 sınır değerleri gösterir β çeşitli TOKAMAKS'ta elde edilmiştir.

Şekil 7. Limit değerlerin karşılaştırılması β , Troyon ölçekleme ile yapılan deneylerde elde edildi .

Limit değer aşıldığında β , TOKAMAK plazmasında büyük çaplı sarmal pertürbasyonlar gelişir, plazma hızla soğur ve duvarda yok olur. Bu fenomene plazma bozulması denir.

Şekil 7'den görülebileceği gibi, TOKAMAK oldukça düşük değerlerle karakterize edilir. β yüzde birkaç seviyesinde. Değeri artırmak için temel bir olasılık var β plazma en boy oranını son derece düşük R / değerlerine düşürerek A= 1.3÷1.5. Teori, bu tür makinelerde β yüzde birkaç onluğa ulaşabilir. Birkaç yıl önce İngiltere'de inşa edilen ultra düşük en-boy oranına sahip ilk TOKAMAK START, değerlerini çoktan aldı. β = %30. Öte yandan, bu sistemler teknik olarak daha zahmetlidir ve toroidal bobin, saptırıcı ve nötron koruması için özel teknik çözümler gerektirir. Şu anda, START'tan daha büyük, düşük en boy oranına ve 1 MA'nın üzerinde plazma akımına sahip birkaç büyük deneysel TOKAMAK inşa ediliyor. Deneylerin önümüzdeki 5 yıl boyunca plazma parametrelerinde beklenen iyileşmenin sağlanıp sağlanamayacağını ve bu yönde beklenen teknik zorlukları telafi edip edemeyeceğini anlamak için yeterli veri sağlaması bekleniyor.

TOKAMAKS'ta plazma hapsi ile ilgili uzun süreli çalışmalar, manyetik alan boyunca enerji ve parçacık transferi süreçlerinin plazmadaki karmaşık türbülanslı süreçler tarafından belirlendiğini göstermiştir. Anormal plazma kayıplarından sorumlu olan plazma kararsızlıkları halihazırda tanımlanmış olmasına rağmen, doğrusal olmayan süreçlerin teorik olarak anlaşılması, ilk prensiplere dayalı olarak plazma ömrünü açıklamak için hala yetersizdir. Bu nedenle, modern tesislerde elde edilen plazma ömürlerini TOKAMAK reaktörünün ölçeklerine tahmin etmek için şu anda ampirik düzenlilikler - ölçeklendirmeler - kullanılmaktadır. Çeşitli TOKAMAKS'tan deneysel veri tabanının istatistiksel olarak işlenmesiyle elde edilen bu ölçeklendirmelerden biri (ITER-97(y)) plazma boyutu, R, plazma akımı I p, plazma kesit uzaması k = b/ ile kullanım ömrünün arttığını tahmin eder. A= 4 ve artan plazma ısıtma gücü ile azalır, P:

t E ~ R 2 k 0,9 I p 0,9 / P 0,66

Enerji ömrünün diğer plazma parametrelerine bağımlılığı oldukça zayıftır. Şekil 8, hemen hemen tüm deneysel TOKAMAKS'ta ölçülen kullanım ömrünün bu ölçekleme ile iyi tanımlandığını göstermektedir.

Şekil 8. Deneysel olarak gözlemlenen enerji ömrünün tahmin edilen ITER-97(y) ölçeklendirmesine bağımlılığı.
Deneysel noktaların ölçeklendirmeden ortalama istatistiksel sapması %15'tir.
Farklı etiketler, farklı TOKAMAK'lara ve öngörülen TOKAMAK-reaktörü ITER'ye karşılık gelir.

Bu ölçeklendirme, kendi kendini idame ettiren termonükleer yanmanın gerçekleşeceği TOKAMAK'ın 7-8 m gibi geniş bir yarıçapa ve 20 MA plazma akımına sahip olması gerektiğini öngörmektedir. Böyle bir TOKAMAK'ta enerji ömrü 5 saniyeyi aşacak ve termonükleer reaksiyonların gücü 1-1,5 GW seviyesinde olacaktır.

1998 yılında İTER TOKAMAK reaktörünün mühendislik projesi tamamlandı. Döteryum ve trityum karışımının termonükleer yanmasını sağlamak için tasarlanan ilk deneysel TOKAMAK reaktörünü oluşturmak için çalışma dört tarafın ortak çabalarıyla gerçekleştirildi: Avrupa, Rusya, ABD ve Japonya. Tesisatın ana fiziki ve mühendislik parametreleri Tablo 3'te verilmiş olup, kesiti Şekil 9'da gösterilmiştir.

Şekil 9. Projelendirilen TOKAMAK reaktörü ITER'nin genel görünümü.

ITER, TOKAMAK reaktörünün tüm ana özelliklerine zaten sahip olacak. Tamamen süper iletken bir manyetik sisteme, soğutulmuş bir battaniyeye ve nötron radyasyonuna karşı korumaya ve kurulumun uzaktan bakımı için bir sisteme sahip olacaktır. İlk duvarda 1 MW/m 2 güç yoğunluğuna ve toplam 0,3 MW y/m 2 akıya sahip nötron akılarının elde edileceği varsayılmaktadır, bu da trityum üretebilen battaniye malzemeleri ve modüllerin nükleer teknolojik testlerini gerçekleştirmeyi mümkün kılacaktır.

Tablo 3
İlk deneysel termonükleer TOKAMAK reaktörü ITER'nin ana parametreleri.

ITER'nin 2010-2011 yıllarında inşa edilmesi planlanıyor.Bu deneysel reaktörde yaklaşık yirmi yıl devam edecek olan deney programı, hâlihazırda elektrik üretecek olan ilk demonstrasyon reaktörü TOKAMAK'ın 2030-2035 yıllarında inşası için gerekli plazma-fiziksel ve nükleer-teknolojik verileri sağlayacak. ITER'nin asıl görevi, TOKAMAK reaktörünün elektrik ve elektrik üretimi için pratikliğini göstermek olacak.

Şu anda kontrollü termonükleer füzyon için en gelişmiş sistem olan TOKAMAKS'ın yanı sıra, TOKAMAKS ile başarılı bir şekilde rekabet eden başka manyetik tuzaklar da var.

TOKAMAKS ve STELLARATOR'ların yanı sıra kapalı manyetik konfigürasyonlu bazı sistemlerde daha küçük ölçekte de olsa deneyler devam etmektedir. Bunların arasında, alan tersine çevrilmiş tutamlar, SPHEROMAK'lar ve kompakt tori not edilmelidir. Ters alan kıstırmaları, nispeten düşük bir toroidal manyetik alana sahiptir. SFEROMAK'ta veya kompakt tori'de toroidal manyetik sistem tamamen yoktur. Buna göre, tüm bu sistemler, parametrenin yüksek bir değerine sahip bir plazma oluşturma olasılığını vaat ediyor. β ve bu nedenle gelecekte kompakt füzyon reaktörleri veya bremsstrahlung'u azaltmak için düşük bir alanın gerekli olduğu DHe 3 veya pB gibi alternatif reaksiyonlar için çekici olabilir. Bu tuzaklarda elde edilen mevcut plazma parametreleri, TOKAMAKS ve STELLARATOR'larda elde edilenlerden hala önemli ölçüde düşüktür.

Lazer radyasyonunun madde ile etkileşimi üzerine yapılan bir çalışma, lazer radyasyonunun, 2÷4 · 10 14 W/cm2'lik gerekli güç yoğunluklarına kadar, hedef kabuğun buharlaşan maddesi tarafından iyi emildiğini gösterdi. Absorpsiyon katsayısı %40÷80'e ulaşabilir ve azalan radyasyon dalga boyu ile artar. Yukarıda bahsedildiği gibi, sıkıştırma sırasında yakıtın büyük bir kısmı soğuk kalırsa, büyük bir termonükleer verim elde edilebilir. Bu, sıkıştırmanın adyabatik olmasını gerektirir, yani Lazer radyasyonu ile yüksek enerjili elektronların, şok dalgalarının veya sert X-ışınlarının oluşması nedeniyle oluşabilecek hedefin önceden ısıtılmasından kaçınılmalıdır. Çok sayıda çalışma, bu istenmeyen etkilerin radyasyon darbesinin profilini çıkararak, tabletleri optimize ederek ve radyasyon dalga boyunu azaltarak azaltılabileceğini göstermiştir. 'den ödünç alınan Şekil 16, düzlemde bölgenin sınırlarını göstermektedir. güç yoğunluğu - dalga boyu hedef sıkıştırma için uygun lazerler.

Şekil 16. Lazerlerin termonükleer hedefleri sıkıştırabildiği (gölgeli) parametre düzlemindeki bölge.

Hedef ateşlemeyi sağlamak için yeterli lazer parametrelerine sahip ilk lazer tesisi (NIF) 2002 yılında ABD'de inşa edilecek. Tesis, 1–20 MJ seviyesinde termonükleer verime sahip olacak ve buna bağlı olarak yüksek Q>1 değerlerinin elde edilmesini sağlayacak olan hedef sıkıştırma fiziğini incelemeyi mümkün kılacak.

Lazerler, hedeflerin sıkıştırılması ve ateşlenmesi konusunda laboratuvar çalışmaları yapmayı mümkün kılsa da, dezavantajları, şu ana kadar en iyi ihtimalle% 1-2'ye ulaşan düşük verimlilikleridir. Bu kadar düşük verimliliklerde, hedefin termonükleer verimi 103'ü geçmelidir ki bu çok zor bir iştir. Ayrıca, cam lazerler düşük darbe tekrarlanabilirliğine sahiptir. Lazerlerin bir füzyon enerji santrali için itici güç görevi görmesi için maliyetlerinin yaklaşık iki kat düşürülmesi gerekir. Bu nedenle, lazer teknolojisinin gelişmesine paralel olarak, araştırmacılar daha verimli sürücüler olan iyon ışınlarının geliştirilmesine yöneldiler.

iyon ışınları

Şu anda, iki tip iyon demeti göz önünde bulundurulmaktadır: birkaç on MeV enerjiye sahip Li tipi hafif iyon demetleri ve 10 GeV'ye kadar enerjiye sahip Pb tipi ağır iyon demetleri. Reaktör uygulamalarıyla ilgili olarak, her iki durumda da birkaç MJ'lik bir enerjiyi birkaç milimetrelik bir yarıçapa sahip bir hedefe yaklaşık 10 ns'lik bir süre boyunca iletmek gereklidir. Sadece ışını odaklamak değil, aynı zamanda reaktör odasında hızlandırıcı çıkışından hedefe birkaç metrelik bir mesafede iletebilmek de gereklidir ki bu parçacık ışınları için kolay bir iş değildir.

Birkaç on MeV enerjiye sahip hafif iyon demetleri, nispeten yüksek bir verimlilikle oluşturulabilir. diyota uygulanan darbeli bir voltaj kullanarak. Modern darbeli teknoloji, hedefleri sıkıştırmak için gereken gücü elde etmeyi mümkün kılar ve bu nedenle, hafif iyon ışınları bir sürücü için en ucuz adaydır. ABD'deki Sandiev Ulusal Laboratuvarı'ndaki PBFA-11 tesisinde uzun yıllardır hafif iyonlarla deneyler yapılıyor. Kurulum, tepe akımı 3,5 MA ve toplam enerjisi yaklaşık 1 MJ olan kısa (15 ns) 30 MeV Li iyon darbeleri oluşturmayı mümkün kılar. Küresel simetrik bir diyotun merkezine, içinde bir hedef bulunan büyük bir Z içeren bir malzemeden yapılmış bir mahfaza yerleştirildi, bu da çok sayıda radyal olarak yönlendirilmiş iyon ışını elde etmeyi mümkün kıldı. İyon enerjisi, holraum muhafazası ve hedef ile muhafaza arasındaki gözenekli dolgu maddesi tarafından emildi ve hedefi sıkıştıran yumuşak X-ışını radyasyonuna dönüştürüldü.

Hedeflerin sıkıştırılması ve ateşlenmesi için gerekli olan 5 · 10 · 13 W/cm 2'den fazla bir güç yoğunluğu elde etmesi gerekiyordu. Bununla birlikte, elde edilen güç yoğunlukları, beklenenden yaklaşık bir kat daha azdı. Sürücü olarak hafif iyonları kullanan bir reaktörde, hedefin yakınında yüksek yoğunluklu parçacıklara sahip hızlı parçacıkların muazzam akışları gerekir. Bu tür ışınları milimetrik hedeflere odaklamak çok karmaşık bir iştir. Ek olarak, hafif iyonlar yanma odasındaki artık gazda gözle görülür şekilde yavaşlayacaktır.

Ağır iyonlara ve yüksek parçacık enerjilerine geçiş, bu sorunları önemli ölçüde hafifletmeyi ve özellikle parçacık akım yoğunluklarını azaltmayı ve böylece parçacık odaklama sorununu hafifletmeyi mümkün kılar. Bununla birlikte, gerekli 10 GeV parçacığı elde etmek için, parçacık toplayıcılara ve diğer gelişmiş hızlandırıcı teknolojilerine sahip dev hızlandırıcılar gereklidir. Toplam ışın enerjisinin 3 MJ, darbe süresinin 10 ns ve ışının odaklanması gereken alanın yarıçapı 3 mm olan bir daire olduğunu varsayalım. Hedef sıkıştırma için varsayımsal sürücülerin karşılaştırmalı parametreleri Tablo 6'da gösterilmektedir.

Tablo 6
Sürücülerin hafif ve ağır iyonlar üzerindeki karşılaştırmalı özellikleri.

*) - hedef bölgede

Hafif iyonların yanı sıra ağır iyon ışınları, iyonların enerjisinin hedefin kendisini eşit şekilde ışınlayan X ışınlarına dönüştürüldüğü bir holraum kullanımını gerektirir. Bir ağır iyon ışını holraumunun yapısı, bir lazer ışını holraumundan sadece biraz farklıdır. Aradaki fark, ışınların, lazer ışınlarının holrauma nüfuz etmesi için delikler gerektirmemesi gerçeğinde yatmaktadır. Bu nedenle, kirişler söz konusu olduğunda, enerjilerini X-ışınlarına dönüştüren özel parçacık emiciler kullanılır. Olası seçeneklerden biri Şekil 14b'de gösterilmektedir. Enerji ve iyonların artmasıyla ve ışının odaklandığı bölgenin boyutunun artmasıyla dönüşüm veriminin düştüğü ortaya çıktı. Bu nedenle, enerji ve parçacıkların 10 GeV üzerindeki bir artışı uygun değildir.

Şu anda, hem Avrupa'da hem de ABD'de, ana çabaların ağır iyon ışınlarına dayalı sürücülerin geliştirilmesine odaklanılmasına karar verilmiştir. Bu sürücülerin 2010-2020'ye kadar geliştirileceği ve başarılı olursa yeni nesil NIF kurulumlarında lazerlerin yerini alacağı varsayılmaktadır. Şimdiye kadar, atalet füzyonu için gereken hızlandırıcılar mevcut değil. Bunları yaratmanın ana zorluğu, parçacık akış yoğunluğunu, iyonların uzamsal yük yoğunluğunun zaten parçacıkların dinamiklerini ve odaklanmalarını önemli ölçüde etkilediği bir düzeye yükseltme ihtiyacıyla ilgilidir. Uzay yükü etkisini azaltmak için, reaktör odasında birleştirilecek ve hedefe yönlendirilecek çok sayıda paralel ışın oluşturulması önerilmiştir. Doğrusal bir hızlandırıcının karakteristik boyutu birkaç kilometredir.

İyon ışınlarını reaktör odasında birkaç metrelik bir mesafeden iletmesi ve onları birkaç milimetre büyüklüğündeki bir alana odaklaması nasıl beklenir? Muhtemel şemalardan biri, düşük basınçlı bir gazda oluşabilen ışınların kendi kendine odaklanmasıdır. Işın, gaz iyonlaşmasına ve plazma boyunca akan dengeleyici bir karşı elektrik akımına neden olacaktır. Ortaya çıkan akım (ışın akımı ile ters plazma akımı arasındaki fark) tarafından oluşturulan azimut manyetik alan, ışının radyal sıkışmasına ve odaklanmasına yol açacaktır. Sayısal simülasyon, prensip olarak, gaz basıncı gerekli 1-100 Torr aralığında tutulursa böyle bir planın mümkün olduğunu göstermektedir.

Ve ağır iyon ışınları, bir füzyon reaktörü için verimli bir sürücü yaratma ihtimalini sunsa da, hedefe ulaşılmadan önce üstesinden gelinmesi gereken çok büyük teknik zorluklarla karşı karşıyadır. Termonükleer uygulamalar için, birkaç on KA tepe akımı ve yaklaşık 15 MW ortalama güç ile 10 GeV iyon ışını oluşturacak bir hızlandırıcıya ihtiyaç vardır. Böyle bir hızlandırıcının manyetik sisteminin hacmi, TOKAMAK reaktörünün manyetik sisteminin hacmi ile karşılaştırılabilir ve bu nedenle maliyetlerinin aynı düzeyde olması beklenebilir.

Darbe Reaktör Odası

Yüksek vakum ve plazma saflığının gerekli olduğu bir manyetik termonükleer reaktörün aksine, darbeli bir reaktörün odasına bu tür gereksinimler uygulanmaz. Darbeli reaktörlerin oluşturulmasındaki ana teknolojik zorluklar, sürücü teknolojisi alanında, hassas hedeflerin oluşturulmasında ve odadaki hedefin konumunu beslemeyi ve kontrol etmeyi mümkün kılan sistemlerde yatmaktadır. Darbe reaktör odasının kendisi nispeten basit bir tasarıma sahiptir. Çoğu proje, açık bir soğutucu tarafından oluşturulan bir sıvı duvarın kullanımını içerir. Örneğin, HYLIFE-11 reaktör tasarımı, hedeflerin girdiği bölgeyi bir sıvı perdenin çevrelediği erimiş tuz Li2BeF4 kullanır. Sıvı duvar, nötron radyasyonunu emecek ve hedef kalıntılarını yıkayacaktır. Aynı zamanda mikro patlamaların basıncını azaltır ve odanın ana duvarına eşit şekilde aktarır. Odanın karakteristik dış çapı yaklaşık 8 m, yüksekliği yaklaşık 20 m'dir.

Sıvı ısı taşıyıcının toplam akış hızının yaklaşık 50 m3/s olduğu tahmin edilmektedir ki bu oldukça ulaşılabilir bir değerdir. Odanın, ana sabit akışa ek olarak, ağır iyon demetini geçmek için yaklaşık 5 Hz frekansta hedefin beslemesiyle senkronize olarak açılacak olan darbeli bir sıvı damperi ile donatılacağı varsayılmaktadır.

Gerekli hedef besleme doğruluğu milimetrenin kesirleridir. Önceki hedeflerin patlamalarından kaynaklanan türbülanslı gaz akışlarının meydana geleceği bir odada, bir hedefin birkaç metrelik bir mesafeye bu tür bir doğrulukla pasif olarak gönderilmesinin pratik olarak imkansız bir görev olduğu açıktır. Bu nedenle, reaktör, hedefin konumunu izlemeye ve dinamik ışın odaklama gerçekleştirmeye izin veren bir kontrol sistemine ihtiyaç duyacaktır. Prensip olarak, böyle bir görev mümkündür, ancak reaktörün kontrolünü önemli ölçüde karmaşıklaştırabilir.

Termonükleer reaktör henüz çalışmıyor ve yakında da çalışmayacak. Ancak bilim adamları bunun tam olarak nasıl çalıştığını zaten biliyorlar.

teori

Helyum izotoplarından biri olan helyum-3, bir füzyon reaktörü için yakıt görevi görebilir. Dünya'da nadir, ama Ay'da çok bol. Bu aynı adlı Duncan Jones filminin konusu. Bu yazıyı okuyorsanız filmi kesinlikle beğeneceksiniz.

Bir nükleer füzyon reaksiyonu, iki küçük atom çekirdeğinin bir araya gelerek büyük bir atom çekirdeği oluşturmasıdır. Bu ters reaksiyondur. Örneğin, helyum yapmak için iki hidrojen çekirdeğini çarpıştırabilirsiniz.

Böyle bir reaksiyonda, kütle farkı nedeniyle büyük miktarda enerji açığa çıkar: reaksiyondan önceki parçacıkların kütlesi, ortaya çıkan büyük çekirdeğin kütlesinden daha büyüktür. Bu kütle sayesinde enerjiye dönüştürülür.

Ancak iki çekirdeğin füzyonunun gerçekleşmesi için, elektrostatik itme kuvvetlerinin üstesinden gelmek ve onları güçlü bir şekilde birbirine bastırmak gerekir. Ve küçük mesafelerde, çekirdeklerin boyutuna göre, çekirdeklerin birbirini çekmesi ve tek bir büyük çekirdekte birleşmesi nedeniyle zaten çok daha büyük nükleer kuvvetler vardır.

Bu nedenle, termonükleer füzyon reaksiyonu yalnızca çok yüksek sıcaklıklarda gerçekleşebilir, böylece çekirdeklerin hızı öyledir ki, çarpıştıklarında nükleer kuvvetler kazanmak için birbirlerine yeterince yaklaşacak kadar enerjiye sahip olurlar ve bir reaksiyon meydana gelir. "Termo" terimi buradan geliyor.

Pratik

Enerjinin olduğu yerde silahlar vardır. Soğuk Savaş sırasında, SSCB ve ABD termonükleer (veya hidrojen) bombalar geliştirdi. Bu, insanlığın yarattığı en yıkıcı silahtır, teoride Dünya'yı yok edebilir.

Sadece sıcaklık, termonükleer enerjinin pratikte kullanılmasının önündeki ana engeldir. Bu sıcaklığı koruyabilen ve erimeyen hiçbir malzeme yoktur.

Ama bir çıkış yolu var, güçlü olduğu için plazmayı tutabilirsin. Özel tokamak cihazlarda, devasa güçlü mıknatıslar, plazmayı çörek şeklinde tutabilir.

Bir termonükleer enerji santrali güvenli, çevre dostu ve çok ekonomiktir. İnsanlığın tüm enerji sorunlarını çözebilir. Mesele küçük - termonükleer enerji santrallerinin nasıl inşa edileceğini öğrenmek.

Uluslararası Deneysel Füzyon Reaktörü

Bir füzyon reaktörü inşa etmek çok zor ve çok pahalı. Böylesine görkemli bir görevi çözmek için çeşitli ülkelerden bilim adamlarının çabaları bir araya geldi: Rusya, ABD, AB ülkeleri, Japonya, Hindistan, Çin, Kore Cumhuriyeti ve Kanada.

Şimdi Fransa'da deneysel bir tokamak inşa ediliyor, yaklaşık 15 milyar dolara mal olacak, planlara göre 2019 yılına kadar tamamlanacak ve 2037 yılına kadar üzerinde deneyler yapılacak. Başarılı olurlarsa, o zaman belki hâlâ mutlu bir termonükleer enerji çağında yaşamak için zamanımız olacak.

Bu yüzden daha fazla konsantre olun ve deneylerin sonuçlarını dört gözle beklemeye başlayın, bu sizi bekleyen ikinci iPad değil - insanlığın geleceği tehlikede.

Uluslararası deneysel termonükleer reaktör ITER, abartmadan zamanımızın en önemli araştırma projesi olarak adlandırılabilir. İnşaat ölçeği açısından, Büyük Hadron Çarpıştırıcısını kolayca geride bırakacak ve başarılı olursa, tüm insanlık için Ay'a uçuştan çok daha büyük bir adım olacak. Aslında, potansiyel olarak, kontrollü termonükleer füzyon, benzeri görülmemiş derecede ucuz ve temiz bir enerjinin neredeyse tükenmez bir kaynağıdır.

Bu yaz, ITER projesinin teknik detaylarını tazelemek için birkaç iyi neden vardı. İlk olarak, resmi başlangıcı Mihail Gorbaçov ile Ronald Reagan'ın 1985'te yaptığı görüşme olarak kabul edilen görkemli bir girişim, maddi somutlaşmayı gözlerimizin önünden alıyor. Rusya, Amerika Birleşik Devletleri, Japonya, Çin, Hindistan, Güney Kore ve Avrupa Birliği'nin katılımıyla yeni nesil reaktörün tasarımı 20 yıldan fazla sürdü. Bugün, ITER artık kilogram teknik dokümantasyon değil, Marsilya'nın 60 km kuzeyinde, Fransa'nın Cadarache şehrinde bulunan dünyanın en büyük insan yapımı platformlarından birinin 42 hektarlık (1 km'ye 420 m) tamamen düz bir yüzeyidir. 150.000 metreküp beton, 16.000 ton takviye ve kauçuk-metal anti-sismik kaplamalı 493 kolondan oluşan geleceğin 360.000 tonluk reaktörünün temelinin yanı sıra. Ve tabii ki dünyanın dört bir yanındaki üniversitelere dağılmış binlerce en gelişmiş bilimsel araç ve araştırma tesisi.

Mart 2007. Geleceğin ITER platformunun havadan ilk fotoğrafı.

Anahtar reaktör bileşenlerinin üretimi tüm hızıyla devam ediyor. İlkbaharda, Fransa, toroidal bir alanın D şeklindeki bobinleri için 70 çerçeve üretimini bildirdi ve Haziran ayında, Rusya'dan Podolsk'taki Kablo Endüstrisi Enstitüsünden alınan süper iletken kablolardan ilk bobinlerin sarılmasına başlandı.

Şu anda ITER'i hatırlamanın ikinci iyi nedeni politik. Yeni nesil bir reaktör sadece bilim insanları için değil, diplomatlar için de bir sınavdır. Bu o kadar pahalı ve teknik olarak karmaşık bir proje ki, dünyadaki hiçbir ülke bunu tek başına başaramaz. Meselenin sona erdirilmesinin mümkün olup olmayacağı, devletlerin hem bilimsel hem de mali alanda kendi aralarında anlaşabilmelerine bağlıdır.

Mart 2009. 42 ha düzleştirilmiş alan bilimsel kompleksin inşaatını bekliyor.

St.Petersburg'daki ITER Konseyi'nin 18 Haziran'da yapılması planlanıyordu, ancak ABD Dışişleri Bakanlığı yaptırımların bir parçası olarak Amerikalı bilim adamlarının Rusya'yı ziyaret etmesini yasakladı. Tokamak (ITER'nin altında manyetik bobinlere sahip toroidal oda) fikrinin Sovyet fizikçi Oleg Lavrentiev'e ait olduğu gerçeğini göz önünde bulundurarak, proje katılımcıları bu kararı bir merak olarak değerlendirdiler ve aynı tarihte konseyi Cadarache'ye taşıdılar. Bu olaylar, Rusya'nın (Güney Kore ile birlikte) ITER projesine karşı yükümlülüklerini yerine getirmede en büyük sorumlu olduğunu tüm dünyaya bir kez daha hatırlattı.

Şubat 2011. Sismik izolasyon kuyusunda 500'den fazla delik açıldı, tüm yer altı boşlukları betonla dolduruldu.

bilim adamları koşum takımı

Birçok kişide "füzyon reaktörü" ifadesi temkinlidir. İlişkisel zincir açıktır: bir termonükleer bomba, bir nükleer bombadan daha kötüdür, bu da bir termonükleer reaktörün Çernobil'den daha tehlikeli olduğu anlamına gelir.

Aslında tokamak'ın çalışma prensibinin dayandığı nükleer füzyon, modern nükleer santrallerde kullanılan nükleer fisyondan çok daha güvenli ve verimlidir. Sentez, doğanın kendisi tarafından kullanılır: Güneş, doğal bir termonükleer reaktörden başka bir şey değildir.

1991 yılında Alman Max Planck Enstitüsünde inşa edilen ASDEX tokamak, başta tungsten ve berilyum olmak üzere reaktörün birinci duvarındaki çeşitli malzemeleri test etmek için kullanılıyor. ASDEX'teki plazma hacmi 13 m3 olup, ITER'dekinden neredeyse 65 kat daha azdır.

Reaksiyon, hidrojen izotopları olan döteryum ve trityum çekirdeklerini içerir. Döteryum çekirdeği bir proton ve bir nötrondan, trityum çekirdeği ise bir proton ve iki nötrondan oluşur. Normal koşullar altında, aynı yüklü çekirdekler birbirini iter, ancak çok yüksek sıcaklıklarda çarpışabilirler.

Bir çarpışmada, protonları ve nötronları çekirdeklerde birleştirmekten sorumlu olan güçlü kuvvet devreye girer. Yeni bir kimyasal elementin çekirdeği var - helyum. Bu durumda, bir serbest nötron üretilir ve büyük miktarda enerji açığa çıkar. Helyum çekirdeğindeki güçlü etkileşim enerjisi, orijinal elementlerin çekirdeğindekinden daha azdır. Bundan dolayı, ortaya çıkan çekirdek kütle bile kaybeder (izafiyet teorisine göre enerji ve kütle eşdeğerdir). C'nin ışık hızı olduğu ünlü E \u003d mc 2 denklemini hatırlayarak, nükleer füzyonla ne kadar büyük bir enerji potansiyelinin dolu olduğunu hayal edebilirsiniz.

Ağustos 2011. Yekpare betonarme sismik izolasyon levhası dökümüne başlandı.

Karşılıklı itme kuvvetinin üstesinden gelmek için orijinal çekirdekler çok hızlı hareket etmelidir, bu nedenle sıcaklık nükleer füzyonda kilit bir rol oynar. Güneş'in merkezinde, süreç 15 milyon santigrat derece sıcaklıkta gerçekleşir, ancak yerçekiminin etkisiyle maddenin muazzam yoğunluğu bunu kolaylaştırır. Yıldızın devasa kütlesi onu etkili bir termonükleer reaktör yapıyor.

Yeryüzünde böyle bir yoğunluk yaratmak mümkün değil. Sadece sıcaklığı artırabiliriz. Hidrojen izotoplarının dünyalılara çekirdeklerinin enerjisini verebilmesi için 150 milyon derece, yani Güneş'tekinden on kat daha yüksek bir sıcaklık gerekir.

Evrendeki hiçbir katı madde böyle bir sıcaklıkla doğrudan temas edemez. Yani sadece bir helyum sobası yapmak işe yaramaz. Manyetik bobinlere veya tokamaklara sahip aynı toroidal oda, sorunu çözmeye yardımcı olur. Bir tokamak yaratma fikri, 1950'lerin başlarında, Sovyet fizikçi Oleg Lavrentiev ve seçkin meslektaşları Andrei Sakharov ve Igor Tamm'ın tartışmasız bir şekilde öncelik atfetmesiyle, farklı ülkelerden bilim adamlarının parlak zihinlerinde doğdu.

Bir simit (içi boş "halka") şeklindeki vakum odası, içinde toroidal bir manyetik alan oluşturan süper iletken elektromıknatıslarla çevrilidir. Plazmayı odanın duvarlarından belli bir mesafede on güneşe kadar ısıtmış tutan bu alandır. Tokamak, merkezi elektromıknatıs (indüktör) ile birlikte bir transformatördür. İndüktördeki akımı değiştirerek, plazmada bir akım akışı oluştururlar - sentez için gerekli parçacıkların hareketi.

Şubat 2012. Kauçuk-metal sandviçten yapılmış sismik yastıklara sahip 1,7 metrelik 493 kolon yerleştirildi.

Tokamak haklı olarak bir teknolojik gelişmişlik modeli olarak kabul edilebilir. Plazmada akan elektrik akımı, plazma sütununu çevreleyen ve şeklini koruyan poloidal bir manyetik alan oluşturur. Plazma kesin olarak tanımlanmış koşullar altında bulunur ve en ufak bir değişiklikte reaksiyon hemen durur. Bir nükleer santral reaktörünün aksine, bir tokamak "çılgına dönemez" ve sıcaklığını kontrolsüz bir şekilde yükseltemez.

Tokamak'ın yok olması gibi beklenmedik bir durumda, hiçbir radyoaktif kirlenme meydana gelmez. Bir nükleer santralin aksine, bir füzyon reaktörü radyoaktif atık üretmez ve füzyon reaksiyonunun tek ürünü olan helyum bir sera gazı değildir ve ekonomide faydalıdır. Son olarak, tokamak yakıtı çok idareli tüketir: sentez sırasında, vakum odasında yalnızca birkaç yüz gram madde vardır ve bir endüstriyel elektrik santrali için tahmini yıllık yakıt arzı yalnızca 250 kg'dır.

Nisan 2014. Kriyostat binasının inşaatı tamamlandı, tokamak temelinin 1.5 metre kalınlığındaki duvarları döküldü.

Neden ITER'ye ihtiyacımız var?

Yukarıda açıklanan klasik tokamaklar ABD ve Avrupa, Rusya ve Kazakistan, Japonya ve Çin'de inşa edildi. Onların yardımıyla, yüksek sıcaklıkta bir plazma yaratmanın temel olasılığını kanıtlamak mümkün oldu. Bununla birlikte, tükettiğinden daha fazla enerji sağlayabilen bir endüstriyel reaktörün inşası, temelde farklı ölçekte bir görevdir.

Klasik bir tokamakta plazmadaki akım akışı indüktördeki akım değiştirilerek oluşturulur ve bu işlem sonsuz olamaz. Bu nedenle, plazmanın ömrü sınırlıdır ve reaktör yalnızca darbeli modda çalışabilir. Plazmanın tutuşması için muazzam bir enerji gerekir - bir şeyi 150.000.000 °C'ye kadar ısıtmak şaka değil. Bu, ateşleme için ödeme yapan enerji üretimini sağlayacak böyle bir plazma ömrünün elde edilmesi gerektiği anlamına gelir.

Füzyon reaktörü, minimum olumsuz yan etkiye sahip zarif bir teknik konsepttir. Plazmadaki akım akışı, plazma filamentinin şeklini koruyan poloidal bir manyetik alan yaratır ve ortaya çıkan yüksek enerjili nötronlar, değerli trityumu üretmek için lityum ile birleşir.

Örneğin, 2009 yılında, Çin tokamak EAST (ITER projesinin bir parçası) üzerinde yapılan bir deney sırasında, 400 saniye boyunca 10 7 K ve 60 saniye boyunca 10 8 K sıcaklıktaki plazma yönetildi.

Plazmayı daha uzun süre tutmak için birkaç tip ek ısıtıcıya ihtiyaç vardır. Hepsi ITER'de test edilecek. İlk yöntem - nötr döteryum atomlarının enjeksiyonu - atomların ek bir hızlandırıcı kullanarak 1 MeV kinetik enerjiye önceden hızlandırılmış olarak plazmaya gireceğini varsayar.

Bu süreç başlangıçta çelişkilidir: yalnızca yüklü parçacıklar hızlandırılabilir (bir elektromanyetik alandan etkilenirler) ve plazmaya yalnızca nötr parçacıklar sokulabilir (aksi takdirde plazma kolonu içindeki akım akışını etkilerler). Bu nedenle döteryum atomlarından önce bir elektron alınır ve pozitif yüklü iyonlar hızlandırıcıya girer. Daha sonra parçacıklar, nötr atomlara indirgendikleri, iyonize gazla etkileşime girdikleri ve plazmaya enjekte edildikleri nötrleştiriciye girer. ITER megavolt enjektörü şu anda İtalya'nın Padua kentinde geliştirilmektedir.

İkinci ısıtma yönteminin, yiyecekleri mikrodalgada ısıtmakla ortak bir yönü vardır. Parçacıkların hızına karşılık gelen bir frekansta (siklotron frekansı) elektromanyetik radyasyonun plazma üzerindeki etkisini içerir. Pozitif iyonlar için bu frekans 40–50 MHz ve elektronlar için 170 GHz'dir. Bu kadar yüksek frekansta güçlü radyasyon oluşturmak için jirotron adı verilen bir cihaz kullanılır. 24 ITER jirotrondan dokuzu Nizhny Novgorod'daki Gycom tesisinde üretiliyor.

Klasik bir tokamak konsepti, plazma filamentinin şeklinin, plazmada akım aktığında kendi kendine oluşan poloidal bir manyetik alan tarafından korunduğunu varsayar. Uzun süreli plazma hapsi için bu yaklaşım uygulanamaz. ITER tokamak, amacı sıcak plazmayı reaktörün duvarlarından uzak tutmak olan özel poloidal alan bobinlerine sahiptir. Bu bobinler en masif ve karmaşık yapı elemanları arasındadır.

Plazmanın şeklini aktif olarak kontrol edebilmek ve kordonun kenarları boyunca dalgalanmaları zamanında ortadan kaldırmak için geliştiriciler, doğrudan derinin altındaki vakum odasında bulunan küçük, düşük güçlü elektromanyetik devreler sağladılar.

Termonükleer füzyon için yakıt altyapısı ayrı bir ilginç konudur. Döteryum hemen hemen her suda bulunur ve rezervleri sınırsız kabul edilebilir. Ancak dünyadaki trityum rezervleri en fazla onlarca kilogramdır. 1 kg trityum yaklaşık 30 milyon dolara mal oluyor.ITER'in ilk lansmanları için 3 kg trityuma ihtiyaç duyulacak. Buna karşılık, Birleşik Devletler Ordusunun nükleer kapasitesini korumak için yılda yaklaşık 2 kg trityum gereklidir.

Ancak gelecekte reaktör kendi kendine trityum sağlayacak. Ana füzyon reaksiyonu sırasında, lityum çekirdeklerini tritiyuma dönüştürebilen yüksek enerjili nötronlar oluşur. Lityum içeren ilk reaktör duvarının geliştirilmesi ve test edilmesi, ITER'nin en önemli hedeflerinden biridir. İlk testlerde, amacı reaktör mekanizmalarını ısıdan korumak olan berilyum-bakır kaplama kullanılacaktır. Hesaplamalara göre gezegenin tüm enerjisi tokamaklara çevrilse bile dünyanın lityum rezervleri bin yıllık işletmeye yetecek.

104 kilometrelik "Yol ITER" in hazırlanması Fransa'ya 110 milyon avroya ve dört yıllık çalışmaya mal oldu. Fos-sur-Mer limanından Cadarache'ye giden yol, tokamak'ın en ağır ve en büyük kısımlarının şantiyeye teslim edilebilmesi için genişletildi ve güçlendirildi. Fotoğrafta: 800 ton ağırlığında test yükü olan bir konveyör.

tokamak tarafından dünyadan

Bir füzyon reaktörünün hassas kontrolü, hassas teşhis araçları gerektirir. ITER'nin temel görevlerinden biri, bugün test edilmekte olan beş düzine araçtan en uygununu seçmek ve yenilerini geliştirmeye başlamaktır.

Rusya'da en az dokuz teşhis cihazı geliştirilecek. Üçü, bir nötron ışını analizörü de dahil olmak üzere Moskova Kurchatov Enstitüsünde. Hızlandırıcı, plazma boyunca spektral değişikliklere uğrayan ve alıcı sistem tarafından yakalanan odaklanmış bir nötron akışı gönderir. Saniyede 250 ölçüm sıklığına sahip spektrometri, plazmanın sıcaklığını ve yoğunluğunu, elektrik alanının gücünü ve parçacıkların dönme hızını gösterir - plazmayı uzun süre tutmak için reaktörü kontrol etmek için gerekli parametreler.

Ioffe Araştırma Enstitüsü tarafından, bir tokamaktan atomları yakalayan ve reaktördeki döteryum ve trityum konsantrasyonunu kontrol etmeye yardımcı olan nötr bir parçacık analizörü de dahil olmak üzere üç araç hazırlanmaktadır. Kalan cihazlar, şu anda ITER dikey nötron odası için elmas dedektörlerin üretildiği Trinity Enstitüsünde yapılacak. Bu enstitülerin tümü test için kendi tokamaklarını kullanıyor. Ve Efremov'un adını taşıyan NIIEFA'nın termal odasında, ilk duvarın parçaları ve gelecekteki ITER reaktörünün saptırıcı hedefi test ediliyor.

Ne yazık ki, geleceğin mega reaktörünün bileşenlerinin birçoğunun zaten metalden yapılmış olması, reaktörün mutlaka inşa edileceği anlamına gelmiyor. Son on yılda, projenin tahmini maliyeti 5 milyardan 16 milyar avroya çıktı ve planlanan ilk lansman 2010'dan 2020'ye ertelendi. ITER'nin kaderi, tamamen günümüzün, öncelikle ekonomik ve politik gerçeklerine bağlıdır. Bu arada, projede yer alan her bilim insanı, projenin başarısının geleceğimizi tanınmayacak kadar değiştirebileceğine içtenlikle inanıyor.