Cila është vështirësia e shkrirjes termonukleare të kontrolluar. Revista Ndërkombëtare e Kërkimeve të Aplikuara dhe Bazë

MINISTRIA E ARSIMIT DHE SHKENCËS E FEDERATËS RUSE

Agjencia Federale për Arsimin

Institucioni Shtetëror Arsimor i Arsimit të Lartë Profesional "Universiteti Shtetëror Pedagogjik Blagoveshchensk"

Fakulteti i Fizikës dhe Matematikës

Departamenti i Fizikës së Përgjithshme

Puna e kursit

me temën: Problemet e shkrirjes termonukleare

disiplina: Fizikë

Interpretues: V.S. Kletchenko

Drejtues: V.A. Evdokimova

Blagoveshchensk 2010

Prezantimi

Projekti ITER

konkluzioni

Letërsia

Prezantimi

Aktualisht, njerëzimi nuk mund ta imagjinojë jetën e tij pa energji elektrike. Ajo është kudo. Por metodat tradicionale të prodhimit të energjisë elektrike nuk janë të lira: thjesht imagjinoni ndërtimin e një hidrocentrali ose një reaktor të centralit bërthamor dhe menjëherë bëhet e qartë pse. Shkencëtarët e shekullit të 20-të, përballë një krize energjitike, gjetën një mënyrë për të prodhuar energji elektrike nga një substancë, sasia e së cilës është e pakufizuar. Reaksionet termonukleare ndodhin gjatë kalbjes së deuteriumit dhe tritiumit. Një litër ujë përmban aq shumë deuterium saqë shkrirja termonukleare mund të çlirojë aq energji sa prodhohet nga djegia e 350 litra benzinë. Kjo do të thotë, mund të konkludojmë se uji është një burim i pakufizuar energjie.

Nëse marrja e energjisë duke përdorur shkrirjen termonukleare do të ishte aq e thjeshtë sa përdorimi i hidrocentraleve, atëherë njerëzimi nuk do të përjetonte kurrë një krizë energjetike. Për të marrë energji në këtë mënyrë, kërkohet një temperaturë e barabartë me temperaturën në qendër të diellit. Ku mund ta merrni këtë temperaturë, sa të kushtueshme do të jenë instalimet, sa fitimprurës është një prodhim i tillë energjie dhe a është i sigurt një instalim i tillë? Këto pyetje do të marrin përgjigje në këtë punim.

Qëllimi i punës: të studiojë vetitë dhe problemet e shkrirjes termonukleare.

Reaksionet termonukleare dhe përfitimet e tyre energjetike

Reaksioni termonuklear -sinteza e bërthamave atomike më të rënda nga ato më të lehta për të marrë energji, e cila kontrollohet.

Dihet se bërthama e një atomi hidrogjeni është një proton p. Ka shumë hidrogjen të tillë në natyrë - në ajër dhe ujë. Përveç kësaj, ka izotopë më të rëndë të hidrogjenit. Bërthama e njërit prej tyre përmban, përveç protonit p, edhe një neutron n . Ky izotop quhet deuterium D . Bërthama e një izotopi tjetër përmban, përveç protonit p, edhe dy neutrone n dhe quhet tritium (tritium) T. Reaksionet termonukleare në mënyrë më efikase ndodhin në temperatura ultra të larta të rendit 10 7 – 10 9 K. Gjatë reaksioneve termonukleare lirohet energji shumë e madhe duke e tejkaluar energjinë që lirohet gjatë zbërthimit të bërthamave të rënda. Reaksioni i shkrirjes çliron energji, e cila për 1 kg substancë është dukshëm më e madhe se energjia e çliruar në reaksionin e ndarjes së uraniumit. (Këtu, energjia e çliruar i referohet energjisë kinetike të grimcave të formuara si rezultat i reaksionit.) Për shembull, në reaksionin e shkrirjes së bërthamave të deuteriumit 1 2 D dhe tritium 1 3 T në bërthamën e heliumit 2 4 Ai:

1 2 D + 1 3 T → 2 4 Ai + 0 1 n,

Energjia e çliruar është afërsisht 3.5 MeV për nukleon. Në reaksionet e ndarjes, energjia për nukleon është rreth 1 MeV.

Kur sintetizon një bërthamë helium nga katër protone:

4 1 1 p→ 2 4 Jo + 2 +1 1 e,

çlirohet energji edhe më e madhe, e barabartë me 6,7 MeV për grimcë. Përfitimi energjetik i reaksioneve termonukleare shpjegohet me faktin se energjia specifike e lidhjes në bërthamën e një atomi të heliumit tejkalon ndjeshëm energjinë specifike të lidhjes së bërthamave të izotopeve të hidrogjenit. Kështu, me zbatimin e suksesshëm të reaksioneve termonukleare të kontrolluara, njerëzimi do të marrë një burim të ri të fuqishëm energjie.

Kushtet për reaksionet termonukleare

Për shkrirjen e bërthamave të lehta, është e nevojshme të kapërcehet pengesa e mundshme e shkaktuar nga zmbrapsja e Kulombit të protoneve në bërthamat e ngarkuara pozitivisht në mënyrë të ngjashme. Për të shkrirë bërthamat e hidrogjenit 1 2 D ato duhet të afrohen më shumë r , e barabartë me përafërsisht r ≈ 3 10 -15 m Për ta bërë këtë, ju duhet të bëni punë të barabartë me energjinë potenciale elektrostatike të zmbrapsjes P = e 2 : (4πε 0 r ) ≈ 0,1 MeV. Bërthamat e Deuteronit do të jenë në gjendje të kapërcejnë një pengesë të tillë nëse, pas përplasjes, energjia e tyre mesatare kinetike 3/2 kT do të jetë e barabartë me 0.1 MeV. Kjo është e mundur në T=2 10 9 K. Në praktikë, temperatura e nevojshme për kryerjen e reaksioneve termonukleare zvogëlohet me dy renditje të madhësisë dhe arrin në 10 7 K.

Temperatura rreth 10 7 K është karakteristikë e pjesës qendrore të Diellit. Analiza spektrale ka treguar se lënda e Diellit, si shumë yje të tjerë, përmban deri në 80% hidrogjen dhe rreth 20% helium. Karboni, azoti dhe oksigjeni përbëjnë jo më shumë se 1% të masës së yjeve. Me masën e madhe të Diellit (≈ 2 10 27 kg) sasia e këtyre gazeve është mjaft e madhe.

Reaksionet termonukleare ndodhin në Diell dhe yje dhe janë një burim energjie që siguron rrezatimin e tyre. Çdo sekondë Dielli lëshon energji 3.8 10 26 J, që korrespondon me një ulje të masës së saj me 4.3 milion ton. Lëshimi specifik i energjisë diellore, d.m.th. çlirimi i energjisë për njësi masë të Diellit në sekondë është 1.9 10 -4 J/s kg. Është shumë i vogël dhe arrin në rreth 10 -3 % e çlirimit specifik të energjisë në një organizëm të gjallë gjatë procesit metabolik. Fuqia e rrezatimit të Diellit ka mbetur praktikisht e pandryshuar gjatë shumë miliarda viteve të ekzistencës së Sistemit Diellor.

Një nga mënyrat se si ndodhin reaksionet termonukleare në Diell është cikli karbon-azot, në të cilin kombinimi i bërthamave të hidrogjenit në një bërthamë heliumi lehtësohet në prani të bërthamave të karbonit. 6 12 Duke vepruar si katalizator. Në fillim të ciklit, një proton i shpejtë depërton në bërthamën e një atomi karboni 6 12 C dhe formon një bërthamë të paqëndrueshme të izotopit të azotit 7 13 N me rrezatim γ-kuantik:

6 12 C + 1 1 p→ 7 13 N + γ.

Me një gjysmë jetë prej 14 minutash në bërthamë 7 13 N ndodh transformimi 1 1 p→ 0 1 n + +1 0 e + 0 0 ν e dhe formohet bërthama e izotopit 6 13 C:

7 13 N→ 6 13 C + +1 0 e + 0 0 ν e.

afërsisht çdo 32 milionë vjet bërthama 7 14 N kap një proton dhe kthehet në një bërthamë oksigjeni 8 15 O:

7 14 N+ 1 1 p→ 8 15 O + γ.

Bërthama e paqëndrueshme 8 15 O me një gjysmë jetë prej 3 minutash lëshon një pozitron dhe neutrino dhe kthehet në një bërthamë 7 15 N:

8 15 O→ 7 15 N+ +1 0 e+ 0 0 ν e.

Cikli përfundon me reaksionin e përthithjes nga bërthama 7 15 N proton me zbërthimin e tij në një bërthamë karboni 6 12 C dhe një grimcë α. Kjo ndodh pas rreth 100 mijë vjetësh:

7 15 N+ 1 1 p→ 6 12 C + 2 4 Ai.

Një cikël i ri fillon përsëri me thithjen e karbonit 6 12 Nga një proton që buron mesatarisht pas 13 milionë vjetësh. Reagimet individuale të ciklit ndahen në kohë me intervale që janë tepër të mëdha në shkallët kohore tokësore. Megjithatë, cikli është i mbyllur dhe ndodh vazhdimisht. Prandaj, reagime të ndryshme të ciklit ndodhin në Diell njëkohësisht, duke filluar në momente të ndryshme në kohë.

Si rezultat i këtij cikli, katër protone bashkohen në një bërthamë helium, duke prodhuar dy pozitrone dhe rreze γ. Kësaj duhet t'i shtojmë rrezatimin që ndodh kur pozitronet bashkohen me elektronet e plazmës. Kur formohet një gamatom i heliumit, lirohet 700 mijë kWh energji. Kjo sasi energjie kompenson humbjen e energjisë diellore nëpërmjet rrezatimit. Llogaritjet tregojnë se sasia e hidrogjenit e pranishme në Diell do të jetë e mjaftueshme për të mbajtur reaksionet termonukleare dhe rrezatimin diellor për miliarda vjet.

Kryerja e reaksioneve termonukleare në kushte tokësore

Zbatimi i reaksioneve termonukleare në kushte tokësore do të krijojë mundësi të mëdha për marrjen e energjisë. Për shembull, kur përdoret deuteriumi i përmbajtur në një litër ujë, në një reaksion të shkrirjes termonukleare do të lirohet e njëjta sasi energjie siç do të lirohet gjatë djegies së afërsisht 350 litra benzinë. Por nëse reaksioni termonuklear vazhdon spontanisht, atëherë do të ndodhë një shpërthim kolosal, pasi energjia e lëshuar në këtë rast është shumë e lartë.

Kushtet e afërta me ato të realizuara në thellësi të Diellit u arritën në një bombë hidrogjeni. Aty ndodh një reaksion termonuklear vetë-qëndrueshëm i një natyre shpërthyese. Eksplozivi është një përzierje e deuteriumit 1 2 D me tritium 1 3 T. Temperatura e lartë e nevojshme për të ndodhur reaksioni fitohet nga shpërthimi i një bombe atomike të zakonshme të vendosur brenda një termonukleare.

Problemet kryesore që lidhen me zbatimin e reaksioneve termonukleare

Në një reaktor termonuklear, reaksioni i shkrirjes duhet të ndodhë ngadalë dhe duhet të jetë i mundur kontrollimi i tij. Studimi i reaksioneve që ndodhin në plazmën e deuteriumit me temperaturë të lartë është baza teorike për marrjen e reaksioneve termonukleare të kontrolluara artificiale. Vështirësia kryesore është ruajtja e kushteve të nevojshme për të marrë një reaksion termonuklear të vetëqëndrueshëm. Për një reagim të tillë, është e nevojshme që shpejtësia e çlirimit të energjisë në sistemin ku ndodh reaksioni të jetë jo më e vogël se shkalla e largimit të energjisë nga sistemi. Në temperatura rreth 10 8 Reaksionet termonukleare në plazmën e deuteriumit kanë intensitet të dukshëm dhe shoqërohen me çlirimin e energjisë së lartë. Kur kombinohen bërthamat e deuteriumit, lëshohet një fuqi prej 3 kW/m për njësi vëllimi të plazmës. 3 . Në temperatura rreth 10 6 Fuqia K është vetëm 10-17 W/m3.

Si të përdoret praktikisht energjia e çliruar? Gjatë sintezës së deuteriumit me triterium, pjesa kryesore e energjisë së çliruar (rreth 80%) manifestohet në formën e energjisë kinetike të neutronit. Nëse këto neutrone ngadalësohen jashtë një kurthi magnetik, nxehtësia mund të prodhohet dhe më pas të shndërrohet në energji elektrike. Gjatë një reaksioni të shkrirjes në deuterium, afërsisht 2/3 e energjisë së çliruar bartet nga grimcat e ngarkuara - produktet e reaksionit dhe vetëm 1/3 e energjisë - nga neutronet. Dhe energjia kinetike e grimcave të ngarkuara mund të shndërrohet drejtpërdrejt në energji elektrike.

Cilat kushte nevojiten që të ndodhin reaksionet e sintezës? Në këto reaksione, bërthamat duhet të kombinohen me njëra-tjetrën. Por çdo bërthamë është e ngarkuar pozitivisht, që do të thotë se ka forca refuzuese midis tyre, të cilat përcaktohen nga ligji i Kulombit:

, r 2 Z 1 Z 2 e 2 F~

Ku Z 1 e - ngarkesa e një bërthame, Z 2 e është ngarkesa e bërthamës së dytë, dhe e – moduli i ngarkesës së elektronit. Për t'u lidhur me njëri-tjetrin, bërthamat duhet të kapërcejnë forcat refuzuese të Kulombit. Këto forca bëhen shumë të forta kur bërthamat afrohen. Forcat refuzuese do të jenë më të voglat në rastin e bërthamave të hidrogjenit që kanë ngarkesën më të vogël ( Z =1). Për të kapërcyer forcat refuzuese të Kulombit dhe për t'u kombinuar, bërthamat duhet të kenë një energji kinetike prej afërsisht 0.01 - 0.1 MeV. Kjo energji korrespondon me një temperaturë të rendit 10 8 – 10 9 K. Dhe kjo është më shumë se temperatura edhe në thellësi të Diellit! Për shkak se reaksionet e shkrirjes ndodhin në temperatura shumë të larta, ato quhen reaksione termonukleare.

Reaksionet termonukleare mund të jenë burim energjie nëse çlirimi i energjisë tejkalon kostot. Atëherë, siç thonë ata, procesi i sintezës do të jetë i vetëqëndrueshëm.

Temperatura në të cilën ndodh kjo quhet temperatura e ndezjes ose temperatura kritike. Për reagim D.T. (deuterium - triterium) temperatura e ndezjes është rreth 45 milion K, dhe për reaksionin DD (deuterium - deuterium) rreth 400 milion K. Kështu, që të ndodhin reaksione D.T. nevojiten temperatura shumë më të ulëta se sa për reaksione DD . Prandaj, studiuesit e plazmës preferojnë reagimet D.T. , megjithëse tritiumi nuk gjendet në natyrë, dhe për riprodhimin e tij në një reaktor termonuklear është e nevojshme të krijohen kushte të veçanta.

Si ta mbani plazmën në një lloj instalimi - një reaktor termonuklear - dhe ta ngrohni atë në mënyrë që të fillojë procesi i shkrirjes? Humbjet e energjisë në plazmën me temperaturë të lartë lidhen kryesisht me humbjen e nxehtësisë nëpër muret e pajisjes. Plazma duhet të izolohet nga muret. Për këtë qëllim përdoren fusha të forta magnetike (izolimi termik magnetik i plazmës). Nëse një rrymë e madhe elektrike kalon nëpër një kolonë plazme në drejtim të boshtit të saj, atëherë në fushën magnetike të kësaj rryme lindin forca që e shtypin plazmën në një kordon plazmatik të ndarë nga muret. Mbajtja e plazmës të ndarë nga muret dhe luftimi i paqëndrueshmërive të ndryshme të plazmës janë probleme jashtëzakonisht komplekse, zgjidhja e të cilave duhet të çojë në zbatimin praktik të reaksioneve termonukleare të kontrolluara.

Është e qartë se sa më i lartë të jetë përqendrimi i grimcave, aq më shpesh ato përplasen me njëra-tjetrën. Prandaj, mund të duket se për të kryer reaksione termonukleare është e nevojshme të përdoret plazma me një përqendrim të madh grimcash. Megjithatë, nëse përqendrimi i grimcave është i njëjtë me përqendrimin e molekulave në gaze në kushte normale (10 25 m -3 ), atëherë në temperatura termonukleare presioni në plazmë do të ishte kolosal - rreth 10 12 Pa. Asnjë pajisje teknike nuk mund të përballojë një presion të tillë! Kështu që presioni është rreth 10 6 Pa dhe që korrespondon me forcën e materialit, plazma termonukleare duhet të jetë shumë e rrallë (përqendrimi i grimcave duhet të jetë në rendin e 10 21 m -3 ) Megjithatë, në një plazmë të rrallë, përplasjet e grimcave me njëra-tjetrën ndodhin më rrallë. Në mënyrë që reaksioni termonuklear të mbahet në këto kushte, është e nevojshme të rritet koha e qëndrimit të grimcave në reaktor. Në këtë drejtim, aftësia mbajtëse e një kurthi karakterizohet nga produkti i përqendrimit n grimca për kohën t duke i mbajtur të bllokuar.

Rezulton se për reagimin DD

nt>10 22 m -3. me,

dhe për reagimin DT

nt>10 20 m -3. Me.

Nga kjo duket qartë se për reagimin DD në n=10 21 m -3 koha e mbajtjes duhet të jetë më shumë se 10 s; nëse n=10 24 m -3 , atëherë mjafton që koha e mbajtjes të kalojë 0,1 s.

Për një përzierje të deuteriumit dhe tritiumit në n=10 21 m -3 një reaksion i shkrirjes termonukleare mund të fillojë nëse koha e izolimit të plazmës është më shumë se 0,1 s, dhe kur n=10 24 m -3 mjafton që kjo kohë të jetë më shumë se 10 -4 Me. Kështu, në të njëjtat kushte, koha e nevojshme e mbajtjes së reagimit është D.T. mund të jetë dukshëm më pak se në reaksione DD . Në këtë kuptim, reagimi D.T. më e lehtë për t'u zbatuar sesa reagimi D.D.

Zbatimi i reaksioneve termonukleare të kontrolluara në instalimet e tipit TOKAMAK

Fizikanët janë duke kërkuar vazhdimisht mënyra për të kapur energjinë e reaksioneve të shkrirjes termonukleare. Tashmë, reagime të tilla po zbatohen në instalime të ndryshme termonukleare, por energjia e çliruar në to ende nuk justifikon koston e parave dhe punës. Me fjalë të tjera, reaktorët ekzistues të shkrirjes nuk janë ende ekonomikisht të qëndrueshëm. Ndër programet e ndryshme të kërkimit termonuklear, programi i bazuar në reaktorët tokamak konsiderohet aktualisht më premtuesi. Studimet e para të shkarkimeve elektrike unazore në një fushë magnetike të fortë gjatësore filluan në 1955 nën udhëheqjen e fizikantëve sovjetikë I.N. Golovin dhe N.A. Yavlinsky. Instalimi toroidal që ata ndërtuan ishte mjaft i madh edhe sipas standardeve moderne: ishte projektuar për shkarkime me një intensitet rrymë deri në 250 kA. I.N. Golovin propozoi emrin "tokamak" (dhoma aktuale, spiralja magnetike) për instalime të tilla. Ky emër përdoret nga fizikanët në mbarë botën.

Deri në vitin 1968, kërkimi tokamak u zhvillua kryesisht në Bashkimin Sovjetik. Tani ka më shumë se 50 instalime të tipit tokamak në botë.

Figura 1 tregon një dizajn tipik tokamak. Fusha magnetike gjatësore në të krijohet nga mbështjelljet me rrymë që rrethojnë dhomën toroidale. Rryma e unazës në plazmë ngacmohet në dhomë si në mbështjelljen dytësore të një transformatori kur një bateri kondensatorësh shkarkohet përmes mbështjelljes parësore 2. Kordoni i plazmës është i mbyllur në një dhomë toroidale - rreshtim 4, i bërë prej çeliku të hollë inox disa milimetra të trasha. Astar është i rrethuar nga një shtresë bakri 5 me trashësi disa centimetra. Qëllimi i shtresës së jashtme është të stabilizojë kthesat e ngadalta me valë të gjata të filamentit të plazmës.

Eksperimentet në tokamaks bënë të mundur që të vërtetohet se koha e mbylljes së plazmës (një vlerë që karakterizon kohëzgjatjen e plazmës duke ruajtur temperaturën e lartë të kërkuar) është në proporcion me zonën e seksionit kryq të kolonës së plazmës dhe induksionin e fushës magnetike gjatësore. . Induksioni magnetik mund të jetë mjaft i madh kur përdoren materiale superpërçuese. Një mundësi tjetër për rritjen e kohës së mbylljes së plazmës është rritja e prerjes tërthore të filamentit të plazmës. Kjo do të thotë se është e nevojshme të rritet madhësia e tokamakëve. Në verën e vitit 1975 në Institutin e Energjisë Atomike me emrin I.V. Kurchatov, tokamak më i madh, T-10, hyri në veprim. Ai mori rezultatet e mëposhtme: temperatura e joneve në qendër të kordonit është 0,6 - 0,8 keV, përqendrimi mesatar i grimcave është 8. 10 19 m -3 , koha e mbylljes së energjisë së plazmës 40 – 60 ms, parametri kryesor i mbylljes nt~(2.4-7.2) . 10 18 m -3. Me.

Instalimet më të mëdha janë të ashtuquajturat tokamaks demonstruese, të cilat hynë në funksion para vitit 1985. Një tokamak i këtij lloji është T-20. Ka përmasa shumë mbresëlënëse: rrezja e madhe e torusit është 5 metra, rrezja e dhomës toroidale është 2 metra, vëllimi i plazmës është rreth 400 metra kub. Qëllimi i ndërtimit të instalimeve të tilla nuk është vetëm kryerja e eksperimenteve fizike dhe kërkimit. Por edhe zhvillimi i aspekteve të ndryshme teknologjike të problemit - zgjedhja e materialeve, studimi i ndryshimeve në vetitë e tyre nën ndikime të rritura termike dhe rrezatuese, etj. Instalimi T-20 është krijuar për të marrë një reagim përzierjeje D.T. . Ky instalim siguron mbrojtje të besueshme nga rrezet e fuqishme X, një fluks jonesh dhe neutronesh të shpejta. Propozohet të përdoret energjia e fluksit të shpejtë të neutronit (10 17 m -2. c), të cilat në një guaskë të veçantë mbrojtëse (batanije) do të ngadalësohen dhe do t'i japin energjinë e tyre ftohësit. Përveç kësaj, nëse batanija përmban një izotop litium 3 6 Li , atëherë nën ndikimin e neutroneve do të shndërrohet në tritium, i cili nuk ekziston në natyrë.

Gjenerata e ardhshme e tokamakëve do të jenë termocentrale të shkrirjes në shkallë pilot dhe në fund do të prodhojnë energji elektrike. Ata pritet të jenë reaktorë “hibridë”, në të cilët batanija do të përmbajë material të zbërthyeshëm (uranium). Nën ndikimin e neutroneve të shpejta, një reaksion i ndarjes do të ndodhë në uranium, i cili do të rrisë prodhimin e përgjithshëm të energjisë së instalimit.

Pra, tokamaks janë pajisje në të cilat plazma nxehet në temperatura të larta dhe përmbahet. Si nxehet plazma në tokamaks? Para së gjithash, plazma në një tokamak nxehet për shkak të rrjedhës së rrymës elektrike; kjo është, siç thonë ata, ngrohja omike e plazmës. Por në temperatura shumë të larta, rezistenca e plazmës bie shumë dhe ngrohja omike bëhet joefektive, kështu që tani po hulumtohen metoda të ndryshme për të rritur më tej temperaturën e plazmës, si injektimi i grimcave neutrale të shpejta në plazmë dhe ngrohja me frekuencë të lartë.

Grimcat neutrale nuk përjetojnë asnjë veprim nga fusha magnetike që kufizon plazmën, dhe për këtë arsye mund të "injektohen" lehtësisht në plazmë. Nëse këto grimca kanë energji të lartë, atëherë, pasi hyjnë në plazmë, ato jonizohen dhe, kur përplasen me grimcat e plazmës, transferojnë një pjesë të energjisë së tyre tek ato dhe plazma nxehet. Në ditët e sotme, metodat për prodhimin e rrymave të grimcave neutrale (atomeve) me energji të lartë janë zhvilluar mjaft mirë. Për këtë qëllim, me ndihmën e pajisjeve speciale - përshpejtuesit - u jepet energji shumë e lartë grimcave të ngarkuara. Pastaj kjo rrymë grimcash të ngarkuara neutralizohet duke përdorur metoda speciale. Rezultati është një rrjedhë grimcash neutrale me energji të lartë.

Ngrohja me frekuencë të lartë të plazmës mund të kryhet duke përdorur një fushë elektromagnetike të jashtme me frekuencë të lartë, frekuenca e së cilës përkon me një nga frekuencat natyrore të plazmës (kushtet e rezonancës). Kur plotësohet ky kusht, grimcat e plazmës ndërveprojnë fuqishëm me fushën elektromagnetike dhe energjia e fushës transferohet në energji plazmatike (plazma nxehet).

Megjithëse programi tokamak konsiderohet më premtuesi për shkrirjen termonukleare, fizikanët nuk i ndalin kërkimet në fusha të tjera. Kështu, arritjet e fundit në mbylljen e plazmës në sistemet e drejtpërdrejta me pasqyra magnetike krijojnë shpresa optimiste për krijimin e një reaktori termonuklear të energjisë bazuar në sisteme të tilla.

Për të stabilizuar plazmën në një kurth duke përdorur pajisjet e përshkruara, krijohen kushte në të cilat fusha magnetike rritet nga qendra e kurthit në periferinë e saj. Ngrohja e plazmës kryhet duke përdorur injektimin e atomeve neutrale.

Si në tokamakët ashtu edhe në qelizat e pasqyrës, kërkohet një fushë magnetike shumë e fortë për të përmbajtur plazmën. Sidoqoftë, ekzistojnë udhëzime për zgjidhjen e problemit të shkrirjes termonukleare, zbatimi i të cilave eliminon nevojën për të krijuar fusha të forta magnetike. Këto janë të ashtuquajturat sintezë dhe sintezë lazer duke përdorur rreze elektronike relativiste. Thelbi i këtyre zgjidhjeve është se në një "objektiv" të ngurtë të përbërë nga një përzierje e ngrirë D.T. , ose rrezatimi i fuqishëm lazer ose rrezet e elektroneve relativiste drejtohen nga të gjitha anët. Si rezultat, objektivi duhet të nxehet shumë, të jonizohet dhe në të duhet të ndodhë një reaksion shkrirjeje në mënyrë shpërthyese. Sidoqoftë, zbatimi praktik i këtyre ideve është i mbushur me vështirësi të konsiderueshme, veçanërisht për shkak të mungesës së lazerëve me fuqinë e nevojshme. Megjithatë, projektet e reaktorëve të shkrirjes të bazuara në këto drejtime aktualisht janë duke u zhvilluar intensivisht.

Projekte të ndryshme mund të çojnë në zgjidhjen e problemit. Shkencëtarët shpresojnë se, në fund, do të jetë e mundur të kryhen reaksione të kontrolluara të shkrirjes termonukleare dhe më pas njerëzimi do të marrë një burim energjie për shumë miliona vjet.

Projekti ITER

Tashmë në fillimin e dizajnit të tokamakëve të gjeneratës së re, u bë e qartë se sa komplekse dhe të shtrenjta ishin ato. Lindi ideja e natyrshme e bashkëpunimit ndërkombëtar. Kështu u shfaq projekti ITER (Reaktori Ndërkombëtar i Energjisë Termonukleare), në zhvillimin e të cilit marrin pjesë shoqata Euratom, BRSS, SHBA dhe Japonia. Solenoidi superpërcjellës ITER i bazuar në nitrat kallaji duhet të ftohet me helium të lëngshëm në një temperaturë prej 4 K ose me hidrogjen të lëngshëm në 20 K. Mjerisht, ëndërron një solenoid "më të ngrohtë" të bërë nga qeramika superpërçuese që mund të funksionojë në temperaturën e azotit të lëngshëm ( 73 K) nuk u realizua. Llogaritjet treguan se ai vetëm do të përkeqësojë sistemin, pasi, përveç efektit të superpërçueshmërisë, do të kontribuojë edhe përçueshmëria e substratit të tij prej bakri.

Solenoidi ITER ruan energji të madhe - 44 GJ, e cila është e barabartë me një ngarkesë prej rreth 5 ton TNT. Në përgjithësi, sistemi elektromagnetik i këtij reaktori do të jetë dy rend magnitudë më i madh në fuqi dhe kompleksitet sesa instalimet më të mëdha operative. Për sa i përket fuqisë elektrike, ai do të jetë i barabartë me hidrocentralin e Dnieper (rreth 3 GW), dhe masa e tij totale do të jetë afërsisht 30 mijë tonë.

Qëndrueshmëria e reaktorit përcaktohet kryesisht nga muri i parë i dhomës toroidale, e cila është në kushtet më stresuese. Përveç ngarkesave termike, ai duhet të transmetojë dhe thith pjesërisht një rrjedhë të fuqishme neutronesh. Sipas llogaritjeve, një mur i bërë nga çeliqet më të përshtatshme mund të përballojë jo më shumë se 5-6 vjet. Kështu, për një kohëzgjatje të caktuar të funksionimit të ITER - 30 vjet - muri do të duhet të zëvendësohet 5 - 6 herë. Për ta bërë këtë, reaktori do të duhet të çmontohet pothuajse plotësisht duke përdorur manipulues të largët kompleks dhe të shtrenjtë - në fund të fundit, vetëm ata do të jenë në gjendje të depërtojnë në zonën radioaktive.

Ky është çmimi edhe i një reaktori termonuklear eksperimental - çfarë do të kërkojë një industrial?

Hulumtimi modern në plazmën dhe reaksionet termonukleare

Fokusi kryesor i kërkimit mbi fizikën e plazmës dhe shkrirjen termonukleare të kontrolluar të kryer në Institutin e Fusionit Bërthamor mbetet pjesëmarrja aktive në zhvillimin e dizajnit teknik të reaktorit termonuklear ndërkombëtar eksperimental ITER.

Këto vepra morën një shtysë të re pas nënshkrimit më 19 shtator 1996 nga Kryetari i Qeverisë së Federatës Ruse V.S. Rezoluta e Chernomyrdinit për miratimin e programit të synuar federal shkencor dhe teknik "Reaktori ndërkombëtar termonuklear ITER dhe puna e kërkimit dhe zhvillimit në mbështetje të tij për 1996-1998". Rezoluta konfirmoi detyrimet e projektit të marra nga Rusia dhe adresoi çështjet e mbështetjes së tyre burimore. Një grup punonjësish u dërguan për të punuar në ekipet qendrore të projektit ITER në SHBA, Japoni dhe Gjermani. Si pjesë e detyrës "shtëpi", Instituti po kryen punë eksperimentale dhe teorike për modelimin e elementeve strukturorë të batanijes ITER, duke zhvilluar bazën shkencore dhe mbështetjen teknike për sistemet e ngrohjes me plazmë dhe mirëmbajtjen e rrymës jo-induktive duke përdorur valët e ciklotronit elektronik dhe neutral. injeksion.

Në vitin 1996, në Institutin e Kërkimeve Bërthamore u kryen teste në stol të prototipeve të xhirotroneve kuazi-stacionare të zhvilluara në Rusi për sistemet e preionizimit ITER ECR dhe ngrohjes plazma. Testet model të metodave të reja të diagnostikimit të plazmës janë duke u zhvilluar - sondimi i plazmës me një rreze jonesh të rënda (së bashku me Institutin e Fizikës dhe Teknologjisë Kharkov) dhe reflektometri. Po studiohen problemet e sigurimit të sigurisë së sistemeve të energjisë termonukleare dhe çështjet e lidhura me zhvillimin e një kuadri rregullator. U kryen një sërë llogaritjesh model të përgjigjes mekanike të strukturave të mbulesës së reaktorit ndaj proceseve dinamike në plazmë, si ndërprerjet e rrymës, zhvendosjet e kordonit të plazmës, etj. Në shkurt 1996, në Moskë u mbajt një takim tematik për mbështetjen diagnostike për ITER, në të cilin morën pjesë përfaqësues të të gjitha palëve në projekt.

Prej 30 vjetësh (që nga viti 1973), puna e përbashkët është kryer në mënyrë aktive në kuadrin e bashkëpunimit ruso (sovjetik) - amerikan për shkrirjen e kontrolluar me izolim magnetik. Dhe në kohët e sotme të vështira për shkencën ruse, është ende e mundur të ruhet niveli shkencor i arritur në vitet e kaluara dhe gamën e kërkimeve të përbashkëta, të fokusuara kryesisht në mbështetjen fizike dhe shkencore-inxhinierike të projektit ITER. Në vitin 1996, specialistët e Institutit vazhduan të merrnin pjesë në eksperimentet e deuterium-tritiumit në tokamak TFTR në Laboratorin e Fizikës së Plazmës në Princeton. Gjatë këtyre eksperimenteve, së bashku me përparimin domethënës në studimin e mekanizmit të vetë-nxehjes së plazmës nga grimcat α të formuara në një reaksion termonuklear, ideja e përmirësimit të izolimit të plazmës me temperaturë të lartë në tokamaks duke krijuar një konfigurim magnetik me -e quajtur prerje e anasjelltë në zonën qendrore u vërtetua praktikisht. Vazhdon së bashku me departamentin e fizikës plazmatike të kompanisë " GeneralAtomic "Studime plotësuese të mirëmbajtjes joinduktive të rrymës në plazmë duke përdorur valë mikrovalore në rangun e rezonancës së ciklotronit elektronik në një frekuencë 110-140 MHz. Në të njëjtën kohë, u krye një shkëmbim i ndërsjellë i pajisjeve unike diagnostikuese. U krye një eksperiment. përgatitur për përpunim në distancë në internet në Institutin e Shkencave Bërthamore të rezultateve të matjes në DIII-tokamak D në San Diego, për të cilin stacioni i punës Alfa do të transferohet në Moskë. Me pjesëmarrjen e Institutit të Fusionit Bërthamor, krijimi i është duke u përfunduar një kompleks i fuqishëm gyrotron në DIII-D, i fokusuar në një mënyrë funksionimi kuazi-stacionare. Puna e përbashkët llogaritëse dhe teorike për studimin e proceseve të ndërprerjes po kryhet intensivisht aktuale në tokamaks (një nga problemet kryesore fizike të ITER sot) dhe modelimi i proceseve të transportit me pjesëmarrjen e teoricienëve nga Laboratori Princeton, Universiteti i Teksasit dhe " GeneralAtomic “Bashkëpunimi vazhdon me Laboratorin Kombëtar Argonne për problemet e ndërveprimit plazma-mur dhe zhvillimin e materialeve premtuese me aktivizim të ulët për reaktorët termonuklear të energjisë.

Në kuadrin e programit ruso-gjerman për përdorimin paqësor të energjisë atomike, po kryhet një bashkëpunim i shumëanshëm me Institutin e Fizikës së Plazmës me emrin. Max Planck, Qendra e Kërkimeve Bërthamore në Universitetet Teknike Jülich, Shtutgart dhe Dresden. Punonjësit e Institutit morën pjesë në zhvillimin dhe tani në funksionimin e komplekseve gyrotron të yjorit Wendelstein W7-As dhe tokamak ASDEX-U në Institutin M. Planck. Një kod numerik u zhvillua së bashku për përpunimin e rezultateve të matjeve të spektrit energjetik të grimcave të shkëmbimit të ngarkesës në lidhje me tokamakët T-15 dhe ADEX-U. Vazhdoi puna për analizimin dhe sistematizimin e përvojës operative të sistemeve inxhinierike të TEXTOR dhe T-15 tokamaks. Një sistem i diagnostikimit reflektometrik të plazmës po përgatitet për eksperimente të përbashkëta në TEXTOR. Informacion i rëndësishëm është grumbulluar si pjesë e bashkëpunimit afatgjatë me Universitetin Teknik të Dresdenit për përzgjedhjen dhe analizën e materialeve me aktivizim të ulët që janë premtuese për projektimet e reaktorëve termonuklear të ardhshëm. Bashkëpunimi me Universitetin e Shtutgartit është përqendruar në studimin e problemeve teknologjike të rritjes së besueshmërisë së xhirotroneve me fuqi të lartë (së bashku me Institutin e Fizikës së Aplikuar të Akademisë së Shkencave Ruse). Së bashku me degën e Berlinit të Institutit M. Planck, po punohet për përmirësimin e metodologjisë së përdorimit të stacionit diagnostik WASA-2 për analizën e sipërfaqes së materialeve të ekspozuara ndaj plazmës me temperaturë të lartë. Stacioni u zhvillua posaçërisht për T-15 tokamak.

Bashkëpunimi me Francën zhvillohet në dy linja. Kërkime të përbashkëta eksperimentale mbi fizikën e burimeve të joneve me rrymë të lartë, në veçanti burimet e joneve negative të hidrogjenit, dhe mbi shtytjen plazmatike për anijen kozmike kryhen me Departamentin e Fizikës së Plazmës të Ecole Polytechnique. Puna bashkëpunuese vazhdon me qendrën kërkimore De-Gramat për të studiuar proceset e ngjeshjes me shpejtësi të lartë të predhave cilindrike përçuese nga fusha magnetike ultra të forta. Instituti ka zhvilluar dhe po ndërton një instalim për prodhimin e fushave magnetike pulsuese në intervalin nënmegauss (në bazë të kontratës).

Konsultimet po zhvillohen me specialistë të Qendrës Zvicerane për Kërkime në Fizikën e Plazmës Suisse Ecole Poytechnique për përdorimin e metodës së ngrohjes së plazmës së ciklotronit elektronik. Një program bashkëpunimi afatgjatë për CTS është rënë dakord me Qendrën Bërthamore Frascati (Itali).

Një marrëveshje "ombrellë" për shkëmbimin e ndërsjellë shkencor u nënshkrua me Qendrën Kombëtare Japoneze për Kërkimin e Plazmës (Nagoya). Një numër studimesh të përbashkëta teorike dhe llogaritëse janë kryer mbi mekanizmat e transferimit në plazmën tokamak dhe çështjet e mbylljes në yjor (në lidhje me heliotronin e madh LHD që po ndërtohet në Japoni).

Në Institutin e Fizikës së Plazmës të Akademisë Kineze të Shkencave (Hefei), kanë filluar eksperimentet në shkallë të plotë në tokamak superpërcjellës NT-7, të krijuar në bazë të tokamak-ut tonë T-7. Instituti po përgatit disa sisteme diagnostikuese për NT-7 me kontratë.

Specialistët e Institutit u ftuan vazhdimisht nga Samsung për të këshilluar mbi projektimin e tokamak-ut të madh superpërcjellës START, të cilin Koreja e Jugut planifikoi ta ndërtonte deri në vitin 1999. Ky është instalimi më i madh termonuklear në botë në këtë kohë.

Instituti është organizata udhëheqëse për gjashtë projekte të Qendrës Ndërkombëtare Shkencore dhe Teknike ISTC (cikli tritium i një reaktori të shkrirjes, aplikimi teknologjik i implantimit të joneve, diagnostikimi i plazmës, sistemi lidar për kontrollin mjedisor mjedisor të atmosferës, sistemi i rikuperimit për ngrohjen me injektim të plazmës komplekse në sistemet e shkrirjes, burime të plazmës me temperaturë të ulët për qëllime teknologjike).

konkluzioni

Ideja e krijimit të një reaktori shkrirje lindi në vitet 1950. Pastaj u vendos që të braktiset, pasi shkencëtarët nuk ishin në gjendje të zgjidhnin shumë probleme teknike. Kaluan disa dekada përpara se shkencëtarët të ishin në gjendje të "detyronin" reaktorin të prodhonte çdo sasi të energjisë termonukleare.

Ndërsa shkruaja punën time të kursit, ngrita pyetje në lidhje me krijimin dhe problemet kryesore të shkrirjes termonukleare, dhe siç doli, krijimi i instalimeve për prodhimin e shkrirjes termonukleare është një problem, por jo kryesori. Problemet kryesore përfshijnë mbajtjen e plazmës në reaktor dhe krijimin e kushteve optimale: produktin e përqendrimit n grimca për kohën t duke i zënë në kurth dhe duke krijuar temperatura afërsisht të barabarta me temperaturën në qendër të diellit.

Pavarësisht nga të gjitha vështirësitë e krijimit të shkrirjes termonukleare të kontrolluar, shkencëtarët nuk dëshpërohen dhe po kërkojnë zgjidhje për problemet, sepse Nëse reaksioni i shkrirjes kryhet me sukses, do të merret një burim kolosal energjie, në shumë mënyra më i lartë se çdo termocentral i krijuar.Rezervat e karburantit për termocentrale të tilla janë praktikisht të pashtershme - deuterium dhe tritium nxirren lehtësisht nga uji i detit. Një kilogram i këtyre izotopeve mund të lëshojë aq energji sa 10 milionë kg lëndë djegëse fosile.

E ardhmja nuk mund të ekzistojë pa zhvillimin e shkrirjes termobërthamore, njerëzimi ka nevojë për energji elektrike dhe në kushte moderne nuk do të kemi mjaftueshëm rezervat tona të energjisë kur e marrim atë nga termocentralet bërthamore.

Letërsia

1. Milantiev V.P., Temko S.V. Fizika e plazmës: libër. për jashtëshkollore duke lexuar. VIII–X klasës – Botimi i 2-të, shto. – M.: Arsimi, 1983. 160 f., ill. – (Bota e dijes).

2. Svirsky M.S. Teoria elektronike e materies: tekst shkollor. manual për studentët e fizikës - mat. false. ped. Instituti - M.: Arsimi, 1980. - 288 f., ill.

3. Tsitovich V.N. Vetitë elektrike të plazmës. M., “Dituria”, 1973.

4. Teknologjia e të rinjve // Nr. 2/1991

5. Yavorsky B.M., Seleznev Yu.A. Udhëzues i referencës së fizikës. - M.: Shkencë. – Ch. ed. Fiz.-Math. lit., 1989. – 576 f., ill.

Projektet inovative duke përdorur superpërcjellës modernë do të bëjnë së shpejti të mundur zbatimin e shkrirjes termonukleare të kontrolluar, siç thonë disa optimistë. Megjithatë, ekspertët parashikojnë se zbatimi praktik do të marrë disa dekada.

Pse është kaq e vështirë?

Energjia e shkrirjes konsiderohet si burim potencial.Është energji e pastër atomike. Por çfarë është dhe pse është kaq e vështirë për t'u arritur? Së pari, ju duhet të kuptoni ndryshimin midis shkrirjes klasike dhe termonukleare.

Fizioni atomik është vendi ku izotopet radioaktive - uraniumi ose plutoniumi - ndahen dhe shndërrohen në izotope të tjerë shumë radioaktivë, të cilët më pas duhet të asgjësohen ose riciklohen.

Fusioni përbëhet nga dy izotope të hidrogjenit - deuterium dhe tritium - që bashkohen në një tërësi të vetme, duke formuar heliumin jo toksik dhe një neutron të vetëm, pa prodhuar mbetje radioaktive.

Problemi i kontrollit

Reagimet që ndodhin në Diell ose në një bombë hidrogjeni janë shkrirja termonukleare, dhe inxhinierët përballen me një detyrë të madhe - si ta kontrollojnë këtë proces në një termocentral?

Kjo është diçka për të cilën shkencëtarët kanë punuar që nga vitet 1960. Një reaktor tjetër eksperimental i shkrirjes termonukleare i quajtur Wendelstein 7-X filloi funksionimin në qytetin verior gjerman të Greifswald. Nuk synohet ende të krijojë një reagim - është thjesht një dizajn i veçantë që po testohet (një yjor në vend të një tokamak).

Plazma me energji të lartë

Të gjitha instalimet termonukleare kanë një veçori të përbashkët - një formë unaze. Ai bazohet në idenë e përdorimit të elektromagnetëve të fuqishëm për të krijuar një fushë të fortë elektromagnetike në formën e një torusi - një tub i brendshëm i fryrë i biçikletës.

Kjo fushë elektromagnetike duhet të jetë aq e dendur sa që kur nxehet në një furrë me mikrovalë në një milion gradë Celsius, plazma duhet të shfaqet në qendër të unazës. Më pas ndizet në mënyrë që të fillojë shkrirja bërthamore.

Demonstrimi i aftësive

Dy eksperimente të ngjashme janë duke u zhvilluar aktualisht në Evropë. Një prej tyre është Wendelstein 7-X, i cili kohët e fundit gjeneroi plazmën e parë të heliumit. Tjetri është ITER, një strukturë e madhe eksperimentale me shkrirje në jug të Francës që është ende në ndërtim dhe do të jetë gati për të filluar në vitin 2023.

Supozohet se reaksionet e vërteta bërthamore do të ndodhin në ITER, edhe pse vetëm për një periudhë të shkurtër kohe dhe sigurisht jo më shumë se 60 minuta. Ky reaktor është vetëm një nga hapat e shumtë drejt bërjes praktike të shkrirjes bërthamore.

Reaktor i shkrirjes: më i vogël dhe më i fuqishëm

Kohët e fundit, disa projektues kanë njoftuar një dizajn të ri reaktor. Sipas një grupi studentësh nga Instituti i Teknologjisë në Masaçusets, si dhe përfaqësues të prodhuesit të armëve Lockheed Martin, shkrirja bërthamore mund të arrihet në objekte që janë shumë më të fuqishme dhe më të vogla se ITER, dhe ata janë të gatshëm ta bëjnë atë brenda dhjetë. vjet.

Ideja e dizajnit të ri është përdorimi i superpërçuesve modernë me temperaturë të lartë në elektromagnet, të cilët shfaqin vetitë e tyre kur ftohen me azot të lëngshëm, në vend të atyre konvencionalë, të cilët kërkojnë një teknologji të re, më fleksibël që do të ndryshojë tërësisht dizajnin e reaktor.

Klaus Hesch, përgjegjës për teknologjinë në Institutin e Teknologjisë në Karlsruhe në Gjermaninë jugperëndimore, është skeptik. Ai mbështet përdorimin e superpërçuesve të rinj me temperaturë të lartë për dizajne të reja reaktorësh. Por, sipas tij, zhvillimi i diçkaje në kompjuter duke marrë parasysh ligjet e fizikës nuk mjafton. Është e nevojshme të merren parasysh sfidat që dalin gjatë zbatimit të një ideje në praktikë.

Fantashkencë

Sipas Hesch, modeli i studentëve të MIT tregon vetëm realizueshmërinë e projektit. Por në fakt ka shumë fantashkencë në të. Projekti supozon se problemet serioze teknike të shkrirjes bërthamore janë zgjidhur. Por shkenca moderne nuk e ka idenë se si t'i zgjidhë ato.

Një problem i tillë është ideja e bobinave të palosshme. Në modelin MIT, elektromagnetët mund të çmontohen për të hyrë brenda unazës që mban plazmën.

Kjo do të ishte shumë e dobishme sepse do të ishte e mundur aksesi dhe zëvendësimi i objekteve në sistemin e brendshëm. Por në realitet, superpërçuesit janë bërë nga materiali qeramik. Qindra prej tyre duhet të ndërthuren në një mënyrë të sofistikuar për të formuar fushën e duhur magnetike. Dhe këtu vjen një vështirësi më thelbësore: lidhjet midis tyre nuk janë aq të thjeshta sa lidhjet midis kabllove të bakrit. Askush nuk ka menduar as për koncepte që do të ndihmonin në zgjidhjen e problemeve të tilla.

Shumë e nxehtë

Temperatura e lartë është gjithashtu një problem. Në thelbin e plazmës së shkrirjes temperatura do të arrijë rreth 150 milionë gradë Celsius. Kjo nxehtësi ekstreme mbetet në vend - pikërisht në qendër të gazit të jonizuar. Por edhe rreth tij është ende shumë nxehtë - nga 500 në 700 gradë në zonën e reaktorit, e cila është shtresa e brendshme e tubit metalik në të cilin do të "riprodhohet" tritiumi i nevojshëm për shkrirjen bërthamore.

Ai ka një problem edhe më të madh - të ashtuquajturin fuqi dalëse. Kjo është pjesa e sistemit në të cilin karburanti i përdorur, kryesisht helium, vjen nga procesi i sintezës. Përbërësit e parë metalikë në të cilët hyn gazi i nxehtë quhen "divertor". Mund të nxehet deri në mbi 2000 °C.

Problemi i diverterit

Për të ndihmuar njësinë të përballojë temperatura të tilla, inxhinierët po përpiqen të përdorin tungstenin metalik të përdorur në llambat inkandeshente të modës së vjetër. Pika e shkrirjes së tungstenit është rreth 3000 gradë. Por ka kufizime të tjera.

Kjo mund të bëhet në ITER sepse ngrohja nuk ndodh vazhdimisht. Reaktori pritet të funksionojë vetëm 1-3% të kohës. Por ky nuk është një opsion për një termocentral që duhet të funksionojë 24/7. Dhe, nëse dikush pretendon se është në gjendje të ndërtojë një reaktor më të vogël me të njëjtën fuqi si ITER, është e sigurt të thuhet se ata nuk kanë një zgjidhje për problemin e divertorit.

Termocentrali pas disa dekadash

Megjithatë, shkencëtarët janë optimistë për zhvillimin e reaktorëve termonuklear, megjithëse nuk do të jetë aq i shpejtë sa parashikojnë disa entuziastë.

ITER duhet të tregojë se shkrirja e kontrolluar mund të prodhojë më shumë energji sesa do të shpenzohej për ngrohjen e plazmës. Hapi tjetër do të jetë ndërtimi i një termocentrali tërësisht të ri demonstrues hibrid që prodhon në fakt energji elektrike.

Inxhinierët tashmë janë duke punuar në hartimin e tij. Ata do të duhet të mësojnë mësime nga ITER, i cili është planifikuar të nisë në vitin 2023. Duke pasur parasysh kohën e nevojshme për projektimin, planifikimin dhe ndërtimin, duket e pamundur që termocentrali i parë me shkrirje të vijë në internet shumë më herët se mesi i shekullit të 21-të.

Ftohtë Fusion Rusia

Në vitin 2014, një test i pavarur i reaktorit E-Cat arriti në përfundimin se pajisja prodhoi një mesatare prej 2,800 watts fuqi dalëse gjatë një periudhe 32-ditore, ndërsa konsumonte 900 watts. Kjo është më shumë se çdo reaksion kimik që mund të lëshojë. Rezultati flet ose për një përparim në shkrirjen termonukleare ose për mashtrim të plotë. Raporti zhgënjeu skeptikët, të cilët vënë në dyshim nëse rishikimi ishte vërtet i pavarur dhe sugjerojnë falsifikimin e mundshëm të rezultateve të testit. Të tjerë kanë filluar të zbulojnë "përbërësit sekretë" që mundësojnë shkrirjen e Rossit në mënyrë që të përsëritet teknologjia.

A është Rossi një mashtrues?

Andrea është mbresëlënës. Ai lëshon shpallje për botën në anglisht unike në seksionin e komenteve të faqes së tij të internetit, të quajtur me pretendime Journal of Nuclear Physics. Por tentativat e tij të mëparshme të dështuara përfshinin një projekt italian të mbetjeve në karburant dhe një gjenerator termoelektrik. Petroldragon, një projekt i mbeturinave në energji, ka dështuar pjesërisht sepse hedhja e paligjshme e mbetjeve kontrollohet nga krimi i organizuar italian, i cili ka ngritur akuza penale kundër tij për shkelje të rregulloreve të mbetjeve. Ai gjithashtu krijoi një pajisje termoelektrike për Korpusin e Inxhinierëve të Ushtrisë Amerikane, por gjatë testimit pajisja prodhoi vetëm një pjesë të fuqisë së deklaruar.

Shumë nuk i besojnë Rossit dhe kryeredaktori i New Energy Times e quajti atë drejtpërdrejt një kriminel me një sërë projektesh të pasuksesshme energjetike pas tij.

Verifikimi i pavarur

Rossi nënshkroi një kontratë me kompaninë amerikane Industrial Heat për të kryer një test sekret njëvjeçar të një impianti me shkrirje të ftohtë 1 MW. Pajisja ishte një kontejner transporti i mbushur me dhjetëra E-Cats. Eksperimenti duhej të monitorohej nga një palë e tretë, e cila mund të konfirmonte se me të vërtetë po krijohej nxehtësia. Rossi pretendon se ka kaluar pjesën më të madhe të vitit të kaluar duke jetuar në një kontejner dhe duke vëzhguar operacionet për më shumë se 16 orë në ditë për të provuar qëndrueshmërinë komerciale të E-Cat.

Testi përfundoi në mars. Mbështetësit e Rossi-t prisnin me padurim raportin e vëzhguesve, duke shpresuar për një shfajësim të heroit të tyre. Por ata përfunduan duke marrë një padi.

Gjyqi

Në dosjen e tij në gjykatën e Floridës, Rossi thotë se testi ishte i suksesshëm dhe një arbitër i pavarur konfirmoi se reaktori E-Cat prodhonte gjashtë herë më shumë energji sesa konsumonte. Ai pohoi gjithashtu se Industrial Heat ra dakord t'i paguante atij 100 milionë dollarë - 11.5 milionë dollarë paraprakisht pas një prove 24-orëshe (me sa duket për të drejtat e licencimit në mënyrë që kompania të mund ta shesë teknologjinë në SHBA) dhe 89 milionë dollarë të tjerë pas përfundimit të suksesshëm të një provë e zgjatur brenda 350 ditëve. Rossi akuzoi IH për drejtimin e një "skeme mashtruese" për të vjedhur pronën e tij intelektuale. Ai gjithashtu akuzoi kompaninë për shpërdorim të reaktorëve E-Cat, kopjim të paligjshëm të teknologjive dhe produkteve novatore, funksionalitetit dhe dizajnit, dhe përpjekje të pahijshme për të marrë një patentë për pronësinë e tij intelektuale.

Minierë ari

Diku tjetër, Rossi pretendon se në një nga demonstratat e tij, IH mori 50-60 milionë dollarë nga investitorët dhe 200 milionë dollarë të tjerë nga Kina pas një rishfaqjeje që përfshin zyrtarë të lartë kinezë. Nëse kjo është e vërtetë, atëherë ka shumë më tepër se njëqind milionë dollarë në lojë. Industrial Heat i ka hedhur poshtë këto pretendime si të pabaza dhe synon të mbrohet fuqishëm. Më e rëndësishmja, ajo pretendon se "punoi për më shumë se tre vjet për të konfirmuar rezultatet që supozohet se Rossi arriti me teknologjinë e tij E-Cat, pa sukses".

IH nuk beson se E-Cat do të funksionojë dhe New Energy Times nuk sheh asnjë arsye për të dyshuar në të. Në qershor 2011, një përfaqësues i botimit vizitoi Italinë, intervistoi Rossin dhe filmoi një demonstrim të E-Cat-it të tij. Një ditë më vonë, ai raportoi shqetësime serioze për mënyrën e matjes së fuqisë termike. Gjashtë ditë më vonë, gazetari postoi videon e tij në YouTube. Ekspertët nga e gjithë bota i dërguan analizat që u publikuan në korrik. U bë e qartë se ky ishte një mashtrim.

Konfirmimi eksperimental

Megjithatë, një numër studiuesish - Alexander Parkhomov nga Universiteti i Miqësisë së Popujve të Rusisë dhe Projekti Përkujtimor i Martin Fleischmann (MFPM) - arritën të riprodhojnë shkrirjen e ftohtë të Rossit. Raporti i MFPM titullohej "Fundi i epokës së karbonit është afër". Arsyeja e këtij admirimi ishte një zbulim që nuk mund të shpjegohet veçse me një reaksion termonuklear. Sipas studiuesve, Rossi ka pikërisht atë që thotë.

Një recetë e qëndrueshme, me burim të hapur për shkrirjen e ftohtë mund të ndezë një nxitim ari energjie. Mund të gjenden metoda alternative për të anashkaluar patentat e Rossit dhe për ta mbajtur atë jashtë biznesit shumëmiliardë dollarësh të energjisë.

Kështu që ndoshta Rossi do të preferonte të shmangte këtë konfirmim.

Shkrirja bërthamore u arrit për herë të parë në Tokë në fillim të viteve 1930. Në ciklotron - një përshpejtues i grimcave elementare - u krye bombardimi i bërthamave të deuteriumit. Në këtë rast, u lëshua një temperaturë e lartë, por kjo energji nuk mund të përdorej. Në vitet 1950, lëshimi i parë në shkallë të gjerë, por i pakontrolluar i energjisë së shkrirjes u demonstrua në testet e armëve termonukleare nga Shtetet e Bashkuara, Bashkimi Sovjetik, Britania e Madhe dhe Franca. Megjithatë, ky ishte një reagim afatshkurtër dhe i pakontrollueshëm që nuk mund të përdorej për të prodhuar energji elektrike.

Arritja e kushteve për shkrirjen e kontrolluar termonukleare pengohet nga disa probleme të mëdha. Së pari, ju duhet të ngrohni gazin në një temperaturë shumë të lartë. Së dyti, është e nevojshme të kontrollohet numri i bërthamave reaguese për një kohë mjaft të gjatë. Së treti, sasia e energjisë së çliruar duhet të jetë më e madhe se ajo që është shpenzuar për ngrohje dhe për të kufizuar densitetin e gazit. Problemi tjetër është ruajtja e kësaj energjie dhe shndërrimi i saj në energji elektrike.

Edhe në temperaturat 100,000 C 0 të gjithë atomet e hidrogjenit jonizohen plotësisht. Gazi përbëhet nga një strukturë elektrike neutrale: bërthama të ngarkuara pozitivisht dhe elektrone të lirë të ngarkuar negativisht. Kjo gjendje quhet plazma.

Plazma është mjaft e nxehtë për shkrirje, por nuk mund të gjendet në materialet e zakonshme. Plazma do të ftohej shumë shpejt dhe muret e enës do të shkatërroheshin nga ndryshimi i temperaturës. Megjithatë, meqenëse plazma përbëhet nga bërthama të ngarkuara dhe elektrone që rrotullohen rreth linjave të fushës magnetike, plazma mund të përmbahet brenda një rajoni të kufizuar nga fusha magnetike pa reaguar me muret e enës.

Në çdo pajisje bashkimi të kontrolluar, çlirimi i energjisë duhet të tejkalojë energjinë e nevojshme për të kufizuar dhe ngrohur plazmën. Ky kusht mund të plotësohet kur koha e mbylljes së plazmës  dhe dendësia e saj n kalojnë afërsisht 10 14 . Raportet n > 10 14 quhen kriteri Lawson.

Një nga burimet premtuese të energjisë elektrike është

zhvillimi i energjisë termonukleare, d.m.th. energjia e tritiumit dhe deuteriumit (izotopet H), të përfshira në sasi të pashtershme në ujin e oqeanit.

Gjatë një reaksioni kimik, shtresat elektronike të atomeve ndryshojnë. NË

Si rezultat i një reaksioni bërthamor, struktura e bërthamës atomike bëhet e ndryshme - shumë

më e qëndrueshme se një atom. Prandaj, gjatë prishjes së bërthamave të rënda (në reaksion

ndarje) ose, anasjelltas, gjatë shkrirjes së mushkërive (në reaksionet e sintezës), kur

formohen bërthama elementësh me masë mesatare, lëshohet një sasi e madhe

Për shembull, kur një atom uraniumi shpërbëhet, një reaksion përdoret për të

gjenerimi i energjisë në termocentralet moderne bërthamore - lëshohet rreth 1 MeV

energji për nukleon. (Protonet dhe neutronet quhen nukleone,

duke qenë përbërës të bërthamave atomike.) Gjatë reaksionit të deuteriumit D

(hidrogjeni i rëndë, atomi i të cilit përmban një neutron n në bërthamë) me një proton p

izotopi i helium-3 sintetizohet, një grimcë β lëshohet dhe afërsisht 5

MeV e energjisë për nukleon, d.m.th. 5 herë më shumë: 1D2 + p > 2He3 + ?.

Në ujin natyror ka një atom deuterium për çdo 7 mijë atome

hidrogjeni, por mjafton deuteriumi që gjendet në një gotë me ujë

prodhojnë të njëjtën sasi energjie që mund të merret duke djegur një fuçi

benzinë. Në Oqeanin Botëror ka 4·1013 ton deuterium; do të mjaftojë për të gjithë banorët e Tokës

për 4 mijë vjet.

Edhe më shumë energji lëshohet në reagimet e izotopit super të rëndë

hidrogjen – tritium T, në bërthamën e të cilit gjenden dy neutrone: 1T3 + p > 2He4+ ? + 19,7 MeV

1T3+1D2 > 2He4 + n + 17,6 MeV

Tritium nuk ekziston në natyrë, por mund të merret në sasi të mjaftueshme

në reaktorët bërthamorë, duke ndikuar në rrjedhën e elektroneve në atomet e litiumit:

N + 3Li7 > 2He4 + T

Megjithatë, ky reagim është shumë i vështirë për t'u kryer: ai do të fillojë vetëm në

në rast se bërthamat e atomeve afrohen aq shumë sa lindin forca

tërheqja bërthamore (i ashtuquajturi ndërveprim i fortë). Kjo

distanca është pesë rend të madhësisë më e vogël se madhësia e një atomi, dhe ndërsa elektronet

mbeten në orbitat e tyre, ata nuk do të lejojnë që bërthamat e atomeve të afrohen. po dhe

vetë bërthamat, para fillimit të ndërveprimit të fortë, zmbrapsen nga Kulombi

Nëse marrja e energjisë së shkrirjes bërthamore bëhet praktikisht e aksesueshme, ajo do të ofrojë përparësitë e mëposhtme: së pari, një burim i pakufizuar karburanti, deuterium nga oqeani; së dyti, do të eliminojë mundësinë e një aksidenti në reaktor, pasi sasia e karburantit në sistem është shumë e vogël; dhe së treti, mbetjet janë shumë më pak radioaktive dhe më të lehta për t'u ruajtur sesa mbetjet nga reaksionet e kalbjes.

3. Probleme të shkrirjes termonukleare të kontrolluar

Studiuesit nga të gjitha vendet e zhvilluara i lidhin shpresat e tyre për tejkalimin e krizës së ardhshme energjetike në një reaksion termonuklear të kontrolluar. Një reagim i tillë - sinteza e heliumit nga deuterium dhe tritium - ka ndodhur në Diell për miliona vjet, dhe në kushte tokësore ata janë përpjekur ta kryejnë atë për pesëdhjetë vjet tani në instalime lazer gjigante dhe shumë të shtrenjta, tokamaks. (një pajisje për kryerjen e reaksioneve të shkrirjes termonukleare në plazmën e nxehtë) dhe yjorë (kurth magnetik i mbyllur për kufizimin e plazmës me temperaturë të lartë). Sidoqoftë, ka mënyra të tjera për të zgjidhur këtë problem të vështirë, dhe në vend të tokamakëve të mëdhenj, ndoshta do të jetë e mundur të përdoret një përplasës mjaft kompakt dhe i lirë - një përshpejtues i rrezes përplasëse - për të kryer shkrirjen termonukleare.

Tokamak kërkon sasi shumë të vogla të litiumit dhe deuteriumit për të vepruar. Për shembull, një reaktor me një fuqi elektrike prej 1 GW djeg rreth 100 kg deuterium dhe 300 kg litium në vit. Nëse supozojmë se të gjitha termocentralet me shkrirje do të prodhojnë 10 trilionë. kWh energji elektrike në vit, domethënë e njëjta sasi që prodhojnë sot të gjitha termocentralet e Tokës, atëherë rezervat botërore të deuteriumit dhe litiumit janë të mjaftueshme për të furnizuar njerëzimin me energji për shumë miliona vjet.

Përveç shkrirjes së deuteriumit dhe litiumit, shkrirja thjesht diellore është e mundur kur kombinohen dy atome deuteriumi. Nëse ky reagim zotërohet, problemet e energjisë do të zgjidhen menjëherë dhe përgjithmonë.

Në cilindo nga variantet e njohura të shkrirjes termonukleare të kontrolluar (CTF), reaksionet termonukleare nuk mund të hyjnë në mënyrën e rritjes së pakontrolluar të fuqisë, prandaj, reaktorë të tillë nuk janë në thelb të sigurt.

Nga pikëpamja fizike, problemi është formuluar thjesht. Për të kryer një reaksion të shkrirjes bërthamore të vetëqëndrueshme, është e nevojshme dhe e mjaftueshme të plotësohen dy kushte.

1. Energjia e bërthamave të përfshira në reaksion duhet të jetë së paku 10 keV. Që të ndodhë shkrirja bërthamore, bërthamat që marrin pjesë në reaksion duhet të bien në fushën e forcave bërthamore, rrezja e së cilës është 10-12-10-13 cm. Sidoqoftë, bërthamat atomike kanë një ngarkesë elektrike pozitive dhe ngarkesat e ngjashme zmbrapsen. Në kufirin e veprimit të forcave bërthamore, energjia e sprapsjes së Kulombit është e rendit 10 keV. Për të kapërcyer këtë pengesë, bërthamat pas përplasjes duhet të kenë një energji kinetike të paktën jo më pak se kjo vlerë.

2. Produkti i përqendrimit të bërthamave që reagojnë dhe koha e mbajtjes gjatë së cilës ato ruajnë energjinë e specifikuar duhet të jetë së paku 1014 s.cm-3. Ky kusht - i ashtuquajturi kriter Lawson - përcakton kufirin e përfitimit energjik të reagimit. Në mënyrë që energjia e çliruar në reaksionin e shkrirjes të mbulojë të paktën kostot e energjisë për fillimin e reaksionit, bërthamat atomike duhet t'i nënshtrohen shumë përplasjeve. Në çdo përplasje në të cilën ndodh një reaksion shkrirjeje midis deuteriumit (D) dhe tritiumit (T), lirohet 17.6 MeV energji, pra afërsisht 3.10-12 J. Nëse, për shembull, 10 MJ energji shpenzohen për ndezjen, atëherë reagimi do të jetë joprofitabël nëse në të marrin pjesë të paktën 3.1018 çifte D-T. Dhe për këtë, një plazmë mjaft e dendur me energji të lartë duhet të mbahet në reaktor për një kohë mjaft të gjatë. Ky kusht shprehet me kriterin Lawson.

Nëse të dyja kërkesat mund të përmbushen njëkohësisht, problemi i shkrirjes termonukleare të kontrolluar do të zgjidhet.

Megjithatë, zbatimi teknik i këtij problemi fizik përballet me vështirësi të mëdha. Në fund të fundit, një energji prej 10 keV është një temperaturë prej 100 milion gradë. Një substancë mund të mbahet në këtë temperaturë vetëm për një pjesë të sekondës në vakum, duke e izoluar atë nga muret e instalimit.

Por ekziston një metodë tjetër për zgjidhjen e këtij problemi - shkrirja e ftohtë. Çfarë është një reaksion termonuklear i ftohtë Është një analog i një reaksioni termonuklear "të nxehtë" që zhvillohet në temperaturën e dhomës.

Në natyrë, ekzistojnë të paktën dy mënyra për të ndryshuar lëndën brenda një dimensioni të vazhdimësisë. Mund të zieni ujin në zjarr, d.m.th. termikisht, ose në furrë me mikrovalë, d.m.th. frekuenca. Rezultati është i njëjtë - uji vlon, ndryshimi i vetëm është se metoda e frekuencës është më e shpejtë. Arritja e temperaturave ultra të larta përdoret gjithashtu për të ndarë bërthamën e një atomi. Metoda termike prodhon një reaksion bërthamor të pakontrollueshëm. Energjia e një termonukleari të ftohtë është energjia e gjendjes së tranzicionit. Një nga kushtet kryesore për projektimin e një reaktori për kryerjen e një reaksioni termonuklear të ftohtë është gjendja e formës së tij kristalore piramidale. Një kusht tjetër i rëndësishëm është prania e fushave magnetike dhe rrotulluese rrotulluese. Kryqëzimi i fushave ndodh në pikën e ekuilibrit të paqëndrueshëm të bërthamës së hidrogjenit.

Shkencëtarët Ruzi Taleyarkhan nga Laboratori Kombëtar Oak Ridge, Richard Lahey nga Universiteti Politeknik. Rensilira dhe akademiku Robert Nigmatulin regjistruan një reaksion të ftohtë termonuklear në kushte laboratorike.

Grupi përdori një gotë me aceton të lëngshëm me madhësi prej dy deri në tre gota. Valët e zërit u transmetuan intensivisht përmes lëngut, duke prodhuar një efekt të njohur në fizikë si kavitacion akustik, i cili rezulton në sonoluminescencë. Gjatë kavitacionit, në lëng u shfaqën flluska të vogla, të cilat u rritën në dy milimetra në diametër dhe shpërthyen. Shpërthimet u shoqëruan me ndezje drite dhe lëshim energjie d.m.th. temperatura brenda flluskave në momentin e shpërthimit arriti në 10 milionë gradë Kelvin dhe energjia e çliruar, sipas eksperimentuesve, është e mjaftueshme për të kryer shkrirjen termonukleare.

"Teknikisht", thelbi i reagimit është se si rezultat i kombinimit të dy atomeve të deuteriumit, formohet një i tretë - një izotop i hidrogjenit, i njohur si tritium, dhe një neutron, i karakterizuar nga një sasi kolosale energjie.

Rryma në gjendjen superpërcjellëse është zero, dhe për këtë arsye, një sasi minimale e energjisë elektrike do të konsumohet për të ruajtur fushën magnetike. 8. Sisteme ultra të shpejta. Shkrirja termonukleare e kontrolluar me mbyllje inerciale Vështirësitë që lidhen me izolimin magnetik të plazmës, në parim, mund të anashkalohen nëse karburanti bërthamor digjet në kohë jashtëzakonisht të shkurtër, kur...

Për vitin 2004. Negociatat e radhës për këtë projekt do të zhvillohen në maj 2004 në Vjenë. Reaktori do të fillojë të krijohet në vitin 2006 dhe planifikohet të nisë në 2014. Parimi i funksionimit Fusioni termonuklear* është një mënyrë e lirë dhe miqësore me mjedisin për të prodhuar energji. Shkrirja e pakontrolluar termonukleare ka ndodhur në Diell për miliarda vjet - heliumi është formuar nga izotopi i rëndë i hidrogjenit, deuterium. Ku...

Reaktori eksperimental termonuklear drejtohet nga E.P. Velikhov. Shtetet e Bashkuara, pasi shpenzuan 15 miliardë dollarë, u larguan nga ky projekt, 15 miliardë të mbetur tashmë janë shpenzuar nga organizatat shkencore ndërkombëtare. 2. Probleme teknike, mjedisore dhe mjekësore. Gjatë funksionimit të instalimeve të fuzionit termonuklear të kontrolluar (CTF). Rrezet neutrone dhe rrezatimi gama lindin, dhe gjithashtu lindin ...

Energjia dhe çfarë cilësie do të nevojitet në mënyrë që energjia e çliruar të jetë e mjaftueshme për të mbuluar kostot e fillimit të procesit të çlirimit të energjisë. Ne do ta diskutojmë këtë çështje më poshtë në lidhje me problemet e shkrirjes termonukleare. Për cilësinë e energjisë lazer Në rastet më të thjeshta, kufizimet në shndërrimin e energjisë së cilësisë së ulët në energji të cilësisë së lartë janë të dukshme. Më lejoni t'ju jap disa shembuj nga...

1. Hyrje

3. Probleme të kontrollit të shkrirjes termonukleare

3.1 Problemet ekonomike

3.2 Problemet mjekësore

4. Përfundim

5. Referencat

1. Hyrje

Problemi i shkrirjes termonukleare të kontrolluar është një nga detyrat më të rëndësishme me të cilat përballet njerëzimi.

Qytetërimi njerëzor nuk mund të ekzistojë, aq më pak të zhvillohet, pa energji. Të gjithë e kuptojnë mirë se burimet e zhvilluara të energjisë, për fat të keq, së shpejti mund të shterohen. Sipas Këshillit Botëror të Energjisë, në Tokë kanë mbetur 30 vjet rezerva të provuara të karburantit hidrokarbur.

Sot burimet kryesore të energjisë janë nafta, gazi dhe qymyri.

Sipas ekspertëve, rezervat e këtyre mineraleve po mbarojnë. Nuk ka mbetur pothuajse asnjë fushë nafte e eksploruar dhe e shfrytëzueshme dhe nipërit tanë mund të përballen tashmë me një problem shumë serioz të mungesës së energjisë.

Termocentralet bërthamore më të pasura me lëndë djegëse, natyrisht, mund të furnizojnë njerëzimin me energji elektrike për qindra vjet.

Objekti i studimit: Problemet e shkrirjes termonukleare të kontrolluar.

Lënda e studimit: Shkrirja termonukleare.

Qëllimi i studimit: Zgjidhja e problemit të kontrollit të shkrirjes termonukleare;

Objektivat e kërkimit:

· Të studiojë llojet e reaksioneve termonukleare.

· Konsideroni të gjitha opsionet e mundshme për përcjelljen e energjisë së çliruar gjatë një reaksioni termonuklear te një person.

· Propozoni një teori për shndërrimin e energjisë në energji elektrike.

Fakti i sfondit:

Energjia bërthamore lirohet gjatë zbërthimit ose shkrirjes së bërthamave atomike. Çdo energji - fizike, kimike ose bërthamore - manifestohet nga aftësia e saj për të kryer punë, për të lëshuar nxehtësi ose rrezatim. Energjia në çdo sistem ruhet gjithmonë, por mund të transferohet në një sistem tjetër ose të ndryshohet në formë.

Arritje Kushtet për shkrirjen e kontrolluar termonukleare pengohen nga disa probleme kryesore:

· Së pari, duhet të ngrohni gazin në një temperaturë shumë të lartë.

· Së dyti, është e nevojshme të kontrollohet numri i bërthamave që reagojnë për një kohë mjaft të gjatë.

· Së treti, sasia e energjisë së çliruar duhet të jetë më e madhe se ajo që është shpenzuar për ngrohje dhe për të kufizuar densitetin e gazit.

· Problemi tjetër është ruajtja e kësaj energjie dhe shndërrimi i saj në energji elektrike

2. Reaksionet termonukleare në Diell

Cili është burimi i energjisë diellore? Cila është natyra e proceseve që prodhojnë sasi të mëdha energjie? Për sa kohë do të vazhdojë të shkëlqejë dielli?

Përpjekjet e para për t'iu përgjigjur këtyre pyetjeve u bënë nga astronomët në mesin e shekullit të 19-të, pasi fizikanët formuluan ligjin e ruajtjes së energjisë.

Robert Mayer sugjeroi që Dielli shkëlqen për shkak të bombardimeve të vazhdueshme të sipërfaqes nga meteoritët dhe grimcat meteorike. Kjo hipotezë u hodh poshtë, pasi një llogaritje e thjeshtë tregon se për të ruajtur shkëlqimin e Diellit në nivelin aktual, është e nevojshme që 2∙10 15 kg lëndë meteorike të bien mbi të çdo sekondë. Gjatë një viti kjo do të arrijë në 6∙10 22 kg, dhe gjatë jetës së Diellit, mbi 5 miliardë vjet - 3∙10 32 kg. Masa e Diellit është M = 2∙10 30 kg, prandaj, gjatë pesë miliardë viteve, materia 150 herë më shumë se masa e Diellit duhet të kishte rënë mbi Diell.

Hipoteza e dytë u shpreh nga Helmholtz dhe Kelvin gjithashtu në mesin e shekullit të 19-të. Ata sugjeruan që Dielli rrezaton për shkak të ngjeshjes me 60-70 metra në vit. Arsyeja e ngjeshjes është tërheqja e ndërsjellë e grimcave diellore, prandaj kjo hipotezë quhet tkurrje. Nëse bëjmë një llogaritje sipas kësaj hipoteze, atëherë mosha e Diellit do të jetë jo më shumë se 20 milionë vjet, gjë që bie ndesh me të dhënat moderne të marra nga analiza e zbërthimit radioaktiv të elementeve në mostrat gjeologjike të tokës së Tokës dhe tokës së Hena.

Hipoteza e tretë për burimet e mundshme të energjisë diellore u shpreh nga James Jeans në fillim të shekullit të njëzetë. Ai sugjeroi që thellësitë e Diellit përmbajnë elementë të rëndë radioaktivë që prishen spontanisht dhe lëshojnë energji. Për shembull, shndërrimi i uraniumit në torium dhe më pas në plumb shoqërohet me çlirimin e energjisë. Analiza e mëvonshme e kësaj hipoteze tregoi gjithashtu mospërputhjen e saj; një yll i përbërë vetëm nga uranium nuk do të lëshonte energji të mjaftueshme për të prodhuar shkëlqimin e vëzhguar të Diellit. Përveç kësaj, ka yje, shkëlqimi i të cilëve është shumë herë më i madh se ai i yllit tonë. Nuk ka gjasa që ata yje të kenë gjithashtu rezerva më të mëdha të materialit radioaktiv.

Hipoteza më e mundshme doli të ishte hipoteza e sintezës së elementeve si rezultat i reaksioneve bërthamore në zorrët e yjeve.

Në vitin 1935, Hans Bethe hipotezoi se burimi i energjisë diellore mund të ishte reaksioni termonuklear i shndërrimit të hidrogjenit në helium. Ishte për këtë që Bethe mori çmimin Nobel në 1967.

Përbërja kimike e Diellit është pothuajse e njëjtë me atë të shumicës së yjeve të tjerë. Përafërsisht 75% është hidrogjen, 25% është helium dhe më pak se 1% janë të gjithë elementët e tjerë kimikë (kryesisht karboni, oksigjeni, azoti, etj.). Menjëherë pas lindjes së Universit, nuk kishte fare elementë "të rëndë". Të gjithë ata, d.m.th. Elementë më të rëndë se heliumi, madje edhe shumë grimca alfa, u formuan gjatë "djegjes" së hidrogjenit në yje gjatë shkrirjes termonukleare. Jetëgjatësia karakteristike e një ylli si Dielli është dhjetë miliardë vjet.

Burimi kryesor i energjisë është cikli proton-proton - një reagim shumë i ngadaltë (koha karakteristike 7,9∙10 9 vjet), pasi është për shkak të ndërveprimit të dobët. Thelbi i saj është se një bërthamë heliumi formohet nga katër protone. Në këtë rast, lirohen një palë pozitronesh dhe një palë neutrino, si dhe 26,7 MeV energji. Numri i neutrinove të emetuara nga Dielli për sekondë përcaktohet vetëm nga shkëlqimi i Diellit. Meqenëse 2 neutrino lindin kur lirohet 26,7 MeV, shkalla e emetimit të neutrinos është: 1,8∙10 38 neutrino/s. Një test i drejtpërdrejtë i kësaj teorie është vëzhgimi i neutrinos diellore. Neutrinot me energji të lartë (bor) zbulohen në eksperimentet me klor-argon (eksperimentet e Davis) dhe vazhdimisht tregojnë mungesë neutrinot në krahasim me vlerën teorike për modelin standard të Diellit. Neutrinot me energji të ulët që dalin drejtpërdrejt në reaksionin pp janë regjistruar në eksperimentet galium-germanium (GALLEX në Gran Sasso (Itali - Gjermani) dhe SAGE në Baksan (Rusi - SHBA)); edhe ato “munngojnë”.

Sipas disa supozimeve, nëse neutrinot kanë një masë pushimi të ndryshme nga zero, lëkundjet (transformimet) e llojeve të ndryshme të neutrinos janë të mundshme (efekti Mikheev - Smirnov - Wolfenstein) (ekzistojnë tre lloje neutrinot: neutrinot elektron, muon dhe tauon). . Sepse Meqenëse neutrinot e tjera kanë seksione tërthore shumë më të vogla për ndërveprim me materien sesa elektronet, deficiti i vëzhguar mund të shpjegohet pa ndryshuar modelin standard të Diellit, i ndërtuar mbi bazën e të gjithë grupit të të dhënave astronomike.

Çdo sekondë, Dielli përpunon rreth 600 milionë tonë hidrogjen. Rezervat e karburantit bërthamor do të zgjasin edhe për pesë miliardë vjet të tjerë, pas së cilës gradualisht do të shndërrohet në një xhuxh të bardhë.

Pjesët qendrore të Diellit do të kontraktohen, nxehen dhe nxehtësia e transferuar në shtresën e jashtme do të çojë në zgjerimin e tij në përmasa monstruoze në krahasim me ato moderne: Dielli do të zgjerohet aq shumë sa do të thithë Merkurin, Venusin dhe do të konsumojë " karburant” njëqind herë më shpejt se aktualisht. Kjo do të çojë në një rritje të madhësisë së Diellit; ylli ynë do të bëhet një gjigant i kuq, madhësia e të cilit është e krahasueshme me distancën nga Toka në Diell!

Ne, natyrisht, do të jemi të vetëdijshëm për një ngjarje të tillë paraprakisht, pasi kalimi në një fazë të re do të zgjasë afërsisht 100-200 milion vjet. Kur temperatura e pjesës qendrore të Diellit të arrijë në 100,000,000 K, heliumi do të fillojë të digjet, duke u shndërruar në elementë të rëndë dhe Dielli do të hyjë në fazën e cikleve komplekse të ngjeshjes dhe zgjerimit. Në fazën e fundit, ylli ynë do të humbasë guaskën e tij të jashtme, bërthama qendrore do të ketë një densitet dhe madhësi tepër të lartë, si ajo e Tokës. Do të kalojnë edhe disa miliarda vjet dhe Dielli do të ftohet, duke u shndërruar në një xhuxh të bardhë.

3. Probleme të shkrirjes termonukleare të kontrolluar

Nëse të dyja kërkesat mund të përmbushen njëkohësisht, problemi i shkrirjes termonukleare të kontrolluar do të zgjidhet.

3.1 Problemet ekonomike

Kur krijoni një TCB, supozohet se do të jetë një instalim i madh i pajisur me kompjuterë të fuqishëm. Do të jetë një qytet i vogël. Por në rast aksidenti ose prishjeje të pajisjeve, funksionimi i stacionit do të ndërpritet.

Kjo nuk parashikohet, për shembull, në modelet moderne të termocentraleve bërthamore. Besohet se gjëja kryesore është ndërtimi i tyre, dhe ajo që ndodh më pas nuk është e rëndësishme.

Por nëse 1 stacion dështon, shumë qytete do të mbeten pa energji elektrike. Kjo mund të vërehet në shembullin e termocentraleve bërthamore në Armeni. Heqja e mbetjeve radioaktive është bërë shumë e shtrenjtë. Me kërkesë të të gjelbërve u mbyll termocentrali bërthamor. Popullsia mbeti pa energji elektrike, pajisjet e termocentralit ishin të konsumuara dhe paratë e akorduara nga organizatat ndërkombëtare për restaurim u shpërdoruan.

Një problem serioz ekonomik është dekontaminimi i objekteve të braktisura të prodhimit ku përpunohej uraniumi. Për shembull, "qyteti Aktau ka "Çernobilin" e tij të vogël. Ai ndodhet në territorin e uzinës kimiko-hidrometalurgjike (KHMZ). Rrezatimi i sfondit gama në punishten e përpunimit të uraniumit (HMC) në disa vende arrin 11,000 mikro- roentgjenë në orë, niveli mesatar i sfondit është 200 mikro-roentgjenë (Sfondi i zakonshëm natyror është nga 10 në 25 mikroroentgjenë në orë). Pasi u ndalua impianti, këtu nuk u krye fare dekontaminim. Një pjesë e konsiderueshme e pajisjeve, rreth pesëmbëdhjetë mijë ton, tashmë ka radioaktivitet të patundshëm.Në të njëjtën kohë, objekte të tilla të rrezikshme ruhen në ajër të hapur, ruhen keq dhe largohen vazhdimisht nga territori i KhGMZ.

Prandaj, duke qenë se nuk ka prodhime të përjetshme, për shkak të shfaqjes së teknologjive të reja, TTS mund të mbyllet dhe më pas objektet dhe metalet e ndërmarrjes të përfundojnë në treg dhe popullsia vendase do të vuajë.

Sistemi i ftohjes së UTS do të përdorë ujë. Por sipas ambientalistëve, nëse marrim statistika nga termocentralet bërthamore, uji i këtyre rezervuarëve nuk është i përshtatshëm për t'u pirë.

Sipas ekspertëve, rezervuari është plot me metale të rënda (në veçanti, torium-232), dhe në disa vende niveli i rrezatimit gama arrin 50 - 60 mikroroentgjenë në orë.

Domethënë, tani, gjatë ndërtimit të një centrali bërthamor, nuk sigurohen mjete që do ta kthenin zonën në gjendjen fillestare. Dhe pas mbylljes së ndërmarrjes, askush nuk di të gropojë mbeturinat e grumbulluara dhe të pastrojë ish-ndërmarrjen.

3.2 Problemet mjekësore

Efektet e dëmshme të CTS përfshijnë prodhimin e mutantëve të viruseve dhe baktereve që prodhojnë substanca të dëmshme. Kjo është veçanërisht e vërtetë për viruset dhe bakteret që gjenden në trupin e njeriut. Shfaqja e tumoreve malinje dhe kanceri ka shumë të ngjarë të jetë një sëmundje e zakonshme në mesin e banorëve të fshatrave që jetojnë pranë UTS. Banorët gjithmonë vuajnë më shumë sepse nuk kanë mjete mbrojtjeje. Dozimetrat janë të shtrenjta dhe ilaçet nuk janë të disponueshme. Mbetjet nga CTS do të hidhen në lumenj, do të ajrosen në ajër ose do të pompohen në shtresat nëntokësore, gjë që po ndodh tani në termocentralet bërthamore.

Përveç dëmtimit që shfaqet menjëherë pas ekspozimit ndaj dozave të larta, rrezatimi jonizues shkakton pasoja afatgjata. Kryesisht kancerogjenezë dhe çrregullime gjenetike që mund të ndodhin me çdo dozë dhe lloj rrezatimi (një herë, kronik, lokal).

Sipas raporteve të mjekëve që regjistruan sëmundjet e punonjësve të centralit bërthamor, sëmundjet kardiovaskulare (sulmet në zemër) vijnë së pari, pastaj kanceri. Muskuli i zemrës bëhet më i hollë nën ndikimin e rrezatimit, bëhet i dobët dhe më pak i fortë. Ka sëmundje krejtësisht të pakuptueshme. Për shembull, dështimi i mëlçisë. Por pse ndodh kjo, asnjë nga mjekët ende nuk e di. Nëse substancat radioaktive hyjnë në rrugët e frymëmarrjes gjatë një aksidenti, mjekët presin indin e dëmtuar të mushkërive dhe trakesë dhe personi me aftësi të kufizuar ecën me një pajisje portative për frymëmarrje.

4. Përfundim

Njerëzimi ka nevojë për energji dhe nevoja për të rritet çdo vit. Në të njëjtën kohë, rezervat e lëndëve djegëse natyrore tradicionale (naftë, qymyr, gaz, etj.) janë të fundme. Ekzistojnë gjithashtu rezerva të kufizuara të karburantit bërthamor - uranium dhe torium, nga të cilat plutoniumi mund të merret në reaktorët e rritjes. Rezervat e karburantit termonuklear - hidrogjenit - janë praktikisht të pashtershme.

Në vitin 1991, për herë të parë, u bë e mundur të merret një sasi e konsiderueshme energjie - afërsisht 1.7 milion watts si rezultat i shkrirjes bërthamore të kontrolluar në Laboratorin e Përbashkët Evropian (Torus). Në dhjetor 1993, studiuesit në Universitetin Princeton përdorën një reaktor të shkrirjes tokamak për të prodhuar një reaksion bërthamor të kontrolluar që gjeneroi 5.6 milion vat energji. Megjithatë, si reaktori Tokamak ashtu edhe laboratori Torus shpenzuan më shumë energji sesa merrej.

Nëse marrja e energjisë së shkrirjes bërthamore bëhet praktikisht e arritshme, ajo do të sigurojë një burim të pakufishëm karburanti

5. Referencat

1) Revista "New Look" (Fizika; Për elitën e ardhshme).

2) Teksti mësimor i fizikës klasa e 11-të.

3) Akademia e Energjisë (analiza; ide; projekte).

4) Njerëzit dhe atomet (William Lawrence).

5) Elementet e Universit (Seaborg dhe Valence).

6) Fjalori Enciklopedik Sovjetik.

7) Encarta 96 Enciklopedia.

8) Astronomi - http://www.college.ru./astronomi.