Oamenii de știință caută modalități de a preveni bombardament cu neutroni constant, ceea ce face ca pereții Tokamak puternic radioactive. Foto: Lawrence Berkeley National Laboratory
acum 35 de ani, Academician Lev Andreevici Artsimovich (1909-1973), a declarat că reactorul de fuziune va fi construit atunci când este necesar. Acum putem afirma că acest punct ne-a abordat „la lungimea brațului.“ Deoarece nivelul actual al consumului de combustibil cărbunos energie în depozitele explorate (inclusiv cărbune) ar trebui să fie suficient pentru 40-50 de ani. Din păcate, consumul este în continuă creștere, și în creștere, din păcate, nu liniar. În ceea ce privește perspectivele de producție de petrol în Oceanul Arctic, este încă mult mai iluzoriu decât rulează la rețeaua de plante Luna cu transport ulterioară de energie pe Pământ cu ajutorul unui fascicul laser.
În prezent, speranța majoră a realizării controlate Tokamak fuziunii nucleare legate de - reactor formă geometrică regulată (camera toroidală cu bobine magnetice - Termenul propus de Andreem Dmitrievichem Saharovym (1921-1989) și Igorem Evgenevichem Tammom (1895-1971), și se calculează prima proiect). Prima Tokamak a fost creat sub conducerea Artsimovich Institutului de Institutul pentru Energie Nucleară. Kurchatov în 1960. In camera sa umplut cu un amestec de izotopi de hidrogen. la o temperatură de sute de milioane de grade a avut loc sinteza heliu gaz inert de reacție termonucleară cu eliberare neutroni energetice enorme.
Dar, cu tokamak legat de o problemă majoră: plasmă limitată în interiorul camerei toroidale de un câmp magnetic este instabil. În procesul de derivă necontrolat acesta „slide-uri“ la pereții exteriori ai reactorului, se răcește instantaneu, și există o reacție „de mare cădere“. Relativ recent, retenția de plasmă a fost zecimi de secundă. Acum scorul este merge pentru secunde, și totuși în consemnului de plasmă trebuie să-și petreacă aproape la fel de mult ca și energie este produsă. Înregistrare până EAST Tokamak aparține Institutului chinez de Fizica Plasmei - 1,25: 1.
plasmă Molten în interiorul Tokamak Fusion Test de reactor. Foto: Princeton Plasma Physics Laboratory
covrigului mototolită
Cu toate acestea, cercetarea științifică nu este doar despre obținerea o energie de fuziune pașnică la o „masă Tokamak.“ Există alte două domenii sunt, de asemenea, foarte încurajatoare. Unul dintre ei - crearea stelaratoare că, Tokamak reprezintă reactoare cu plasmă confinare magnetică. Ei au efectuat în mod similar sintezei de heliu izotopilor grei ai hidrogenului, în aceleași condiții de temperatură și presiune în milioane atmosfere. Cu toate acestea, mecanismul de încălzire cu plasmă și confinarea magnetic în stelaratoare diferite.
Într-o plasmă tokamak „deține în sine“. Aceasta este, bobina magnetic toroidal, înfipt camera toroidală închisă creează un câmp magnetic care induce în curentul circular coloană de plasmă. Acest curent creează un câmp poloidal, care deține plasma comprimă diametrul cordonului (aceasta se numește efect de strângere), dând plasma în contact cu pereții reci ai camerei. În plus, curentul electric în plasma se incalzeste de rezistența ohmică. Cu toate acestea, o astfel de încălzire este insuficient, iar camera trebuie să injecteze fascicule de atomi neutri de energie înaltă, fie folosesc iradiere cu plasmă de înaltă frecvență.
Stelarator, dezvoltat sub conducerea lui Leo Spittsera (Leo Spitzer, 1887-1960), Princeton University (Princeton University), Tokamak structural mai complexe. Este răsucită și deformată în termeni chiflă. La fel de configurație bizar plantat pe ea bobine magnetice. Datorită acestei sofisticare posibil să se renunțe la utilizarea curentului de generare de plasmă drept câmp de reținere formată în interiorul camerei. Acesta joacă un rol în exteriorul camerei reactorului a câmpului produs de magneți externi cu configurații complexe.
În acest fel, este posibil să crească în mod semnificativ stabilitatea plasmei, prevenind în mod fiabil contactul cu pereții reci ai camerei. timp record menținerea și încălzire cu plasmă în exces de 54 de minute, a fost înregistrată pe LHD stelarator japoneze. Aceasta este, în acest Tokamak parametru ITER să se apropie stelaratoare numai zece ani mai târziu.
Un alt avantaj al acestui tip de reactoare de fuziune este că înfășurarea stelarator capabil amestec curat de lucru elicoidal și îndepărta impuritățile din produșii de reacție. Cu toate acestea, o astfel - Divertorul - lichidare a început să se utilizeze într-o nouă generație de tokamak.
Dar există un dezavantaj semnificativ - o pierdere mare de energie a plasmei cauzate de neuniformitatea câmpului magnetic limităm, închizând grupul de particule în onduleuri lor. Din cauza aceasta nu este încă posibil să se obțină în acest tip de temperatură în reactor, asigurând fuziune stabilă. Problema este agravată de faptul că magneții stelarator supraconductoare pentru a crea intensitatea câmpului electromagnetic necesară consumă energie substanțial mai mare decât Tokamak bobina în care domeniu creează un curent în hamul de plasmă.
Vedere interioară stelaratorului japonez Dispozitivul elicoidală mare. Foto: NIF (Japonia)
Oamenii de știință din întreaga lume încearcă fără succes să rezolve problema, după cum reiese din încălzirea parametrilor de plasmă în cele mai recente stelaratoare. Printre acestea se numără LHD japoneză menționată mai sus (Dispozitiv elicoidală mare), în Institutul Național de fuziune nucleară (Institutul National de fuziune Stiinta) din Tokyo și a creat Institutul Max Planck de Fizica Plasmei (Max-Planck-Institut für Plasmaphysik) Wendelstein 7-X. unde temperatura plasmatică este aproape de 10 milioane de grade. Creșterea temperaturii se realizează nu numai prin creșterea puterii injectate în plasmă de atomi, dar mai ales prin îmbunătățirea capcanelor magnetice smoothing neregularitățile câmp îngrădire. Ca urmare a acestor activități, a făcut posibilă prin modelarea proceselor de supercomputere moderne, se transformă câmpul quasisymmetry, pierderile de energie care sunt aproape de pierderile din tokamak.
În cadrul proiectului german implică oameni de știință din alte țări, printre care Rumyniyane și ucraineni. Wendelstein 7-X stelarator va fi cea mai mare din lume. Mare raza camerei de lucru - 5,5 m (3,6 m în LHD japoneză). Raza mica - 0.5m putere de încălzire cu plasmă. - 20 MW. NbTi superconductoare bobine magnetice cu o temperatură de funcționare de 1,8 K T 6 sunt de inducție.
Prin quasisymmetry tip stelaratoare aplică lansat în mijlocul HSX (elicoidală a Simetrică eXperiment) în acest an, crearea care un grup de oameni de știință de la Universitatea din Wisconsin-Madison (Universitatea din Wisconsin-Madison), condus de David Anderson (David Anderson) și-a petrecut 17 ani. Pe baza rezultatelor testelor de instalare, creatorii săi susțin că nivelul pierderilor de energie de plasmă nu este inferior la tokamak moderne. HSX, putem spune - stelarator in miniatura, comparativ cu japonezi și germani „frați.“ Mare raza camerei de lucru a avut 1,2 m mică - .. 0,3 m bobine produc inducție magnetică de 1,37 T, la un curent de funcționare de 13,4 kA. încălzire cu plasmă putere - 100 kW. Și în timp ce plasma este încălzit la o temperatură de aproximativ 20 de milioane de grade - rata de excelenta.
Alegerea sistemului pentru un reactor Tokamak ITER program global internațional din mai multe motive. În primul rând, semnificativă descoperire a modurilor în care rezultă aproape energia de fuziune a energiei consumate, a avut loc la reactoarele de acest tip înainte. În al doilea rând, construcția costurilor stelaratoare sunt mai mari, deoarece acestea sunt mai complexe în design și punct de vedere tehnologic. În plus, eficiența stelaratorului depinde în mare măsură de dimensiunea sa - cu atât mai mare este, cu atât mai bine. Prin urmare, acestea sunt mai scumpe, ceea ce afectează în mod direct costul energiei electrice produse. Și, în sfârșit, în al treilea rând, ca întotdeauna, atunci când se decide problema cheltuielilor de miliarde de dolari, am lucrat și efectul de levier birocratic și politic. Și trebuie să remarc cu satisfacție că școala știința internă a prevalat asupra americanului.
Obiectivul utilizat în cadrul proiectului NIF, - un cilindru cu o capsulă de combustibil. lățimea capsulei - doar câțiva milimetri, dar este comparabil ca marime a unui bob de mazare mici. Foto: Lawrence Livermore National de Securitate, LLC, și Lawrence Livermore National Laboratory
Skeet
În anii 1960, atunci când a apărut laserul, ideea de producere a energiei de fuziune prin intermediul fuziunii termonucleare. Esența ei este după cum urmează. În camera de reacție cu o anumită frecvență țintă aruncate reprezentând mm bec umplut cu deuteriu și tritiu, este aprins și fascicul laser de mare putere. Rezultatul este o serie consistentă de termonucleare micro-explozii, dintre care energia este transformată în energie electrică. Care seamănă cu funcționarea motorului cu ardere internă, unde aprinderea combustibilului energie discretă este transformată într-o mișcare de rotație continuă.
Ideea sa dovedit a fi frumos, dar dificil să pună în aplicare punct de vedere tehnic. Cel mai simplu mod de a crea o țintă și testați-l pentru metoda tradițională a armatei - sub pământ, folosind ca o taxa de siguranță plutoniu. Tinta este o minge cu un diametru de 1-3 mm. Sub coajă tare există un strat de combustibil înghețat - deuteriu și tritiu. In centrul țintei - rare de combustibil DT gazos. Piei pentru țintă pot fi realizate din diferite materiale - aliaje metalice și materiale plastice.
Pentru aprinderea puterii țintă care trebuie aplicată cu o densitate de 10 20 W / cm 2. Acest emițător - Driver - ar trebui să dea un impuls 10 nanosecunde cu o energie de mai multe mJ. Există și alte cerințe stricte. Expunerea inegală a țintei nu trebuie să depășească 1% (țintă din toate părțile „prăjită“ mai multe raze). În cele din urmă, pentru a obține o putere de ieșire de 1 GW nevoie pentru a arde o țintă cu o frecvență de 5-6 Hz. Ca urmare, impactul asupra țintei de o energie uriașă ea micșorează, sa „podea“ centrul reacției termonucleare, care este distribuit pe un solid înghețat, combustibil.
Există două scheme țintă de aprindere - directă, atunci când fasciculele laser cad direct pe suprafața sa. Și prin intermediul camerei de reflexie a unui material refractar, cum ar fi tungsten, în care razele pătrund prin găurile și reflectate în mod repetat, de pereți.
NIF - una dintre pietrele de temelie ale programului special al Departamentului de Energie al SUA (Stocurilor Stewardship Program). Pentru a începe reacția la NIF va fi utilizat de către cel mai mare laser din lume. Acest experiment ar trebui să ajute oamenii de știință pentru a verifica posibilitatea de a armelor nucleare, fără un adevărat test, și va fi o sursă de informații valoroase pentru știința de bază și a energiei de fuziune. Foto: DOE
Cele mai bune rezultate în dezvoltarea de fuziune inertiala americani au un sistem cu laser 192-fascicul NIF (National Ignition Facility), situat în Livermore. Aduce în jos energia la țintă de 1,8 MJ. Cu toate acestea, utilizarea laserului pentru generarea energiei electrice comerciale este destul de problematică din cauza laserele cu eficiență redusă. Dar Statele Unite vor cheltui pe crearea NIF de peste 5 miliarde $, de așteptat să nu numai și, probabil, nu atât de mult utilizați pentru a rezolva problema de energie, dar pentru dezvoltarea de noi tipuri de arme.
Mult mai promițătoare țintă pentru ardere fasciculele de ioni sunt elemente grele, cum ar fi plumbul. (Tufts ionilor de lumină, în ciuda simplității generației lor, nu permit atingerea razei dorite de focalizare și pierde energie atunci când trece prin gazul rezidual în camera de ardere).
Una dintre principalele dificultăți în crearea unor conducători de fascicule de ioni grei - pentru a realiza o densitate semnificativă a particulelor într-un impuls. Și se pare că va fi rezolvată în curând. Oamenii de știință american național de cercetare de laborator instalare Berkeley NDCX-1 (neutralizată Drift Compression facilitate Experiment), experimentarea cu ioni de xenon, cesiu și mercurul poate comprima obținut la ieșirea din accelerator puls 200 nanosecunde la 4 nanosecunde. Acest lucru este posibil datorită un sistem magnetic inteligent, care, după cum se menționează în comunicatul, accelerează „coada“ a impulsului mai rapid decât „cap“.
Energia pulsului este încă mică - 255 KeV, și nu este, evident, suficient pentru a aprinde DT-țintă. Cu toate acestea, cercetătorii sunt optimiști, care intenționează să creeze un cadru mai perfectă NDCX-2. Și acest lucru înseamnă că mulți kilometri accelerator liniar va fi construit.
În concluzie, este în valoare de a spune câteva cuvinte despre camera de procesare a fuziunii inerțial reactorului. Există un proiect HyLife-11. conform căruia camera are un diametru de 8 metri și o înălțime de 20 metri. Pentru a absorbi energia blast este folosită, perdeaua de lichid de sare topită Li2 BeF4. zona înconjurătoare, care sunt aruncate țintă. Perdeaua lichid servește, de asemenea, pentru a spăla ținte reziduale explozii și presiunea de amortizare, forța care este echivalentă cu 20-200 kg de TNT. fluxul de lichid de răcire este de 50 m3 / s. perdea de lichid este prevăzută, de deschidere este sincronizat cu alimentarea țintei cu o frecvență de aproximativ 5 Hz pentru trecerea fasciculului de ioni grei. Obiectivul furaj Precizia este o fracțiune de milimetru.
Cine câștigă în cele din urmă termonuclear „cursa“ - tokamak, „covrigi ridate“ sau stabilirea fuziunii nucleare inerțială, este încă puțin probabil să devină clar în următorii câțiva ani. Dar câștigătorul este - este cu siguranță clar acum.