Сила синтеза
Термоядерная энергия - это предлагаемая форма производства электроэнергии , которая будет генерировать электричество с использованием тепла от реакций ядерного синтеза . В процессе синтеза два более легких атомных ядра объединяются, образуя более тяжелое ядро, выделяя при этом энергию. Устройства, предназначенные для использования этой энергии, известны как термоядерные реакторы.
Процессы синтеза требуют топлива и замкнутой среды с достаточной температурой , давлением и временем удержания для создания плазмы , в которой может происходить синтез. Комбинация этих цифр, которая приводит к системе производства энергии, известна как критерий Лоусона . В звездах наиболее распространенным топливом является водород , а гравитация обеспечивает чрезвычайно длительное время удержания, которое достигает условий, необходимых для производства термоядерной энергии. Предлагаемые термоядерные реакторы обычно используют тяжелые изотопы водорода , такие как дейтерий и тритий (и особенно смесь двух), которые реагируют легче, чем протий (наиболее распространенный изотоп водорода), что позволяет им соответствовать требованиям критерия Лоусона в менее экстремальных условиях. Большинство конструкций нацелены на нагрев топлива примерно до 100 миллионов градусов, что представляет собой серьезную проблему при создании успешной конструкции.
Ожидается, что ядерный синтез как источник энергии будет иметь много преимуществ перед делением . К ним относятся снижение радиоактивности при эксплуатации и небольшое количество высокоактивных ядерных отходов , достаточные запасы топлива и повышенная безопасность. Однако оказалось, что необходимую комбинацию температуры, давления и продолжительности трудно обеспечить практичным и экономичным способом. Исследования термоядерных реакторов начались в 1940-х годах, но на сегодняшний день ни одна конструкция не дала большей выходной мощности синтеза, чем потребляемая электрическая мощность. [1] Второй проблемой, влияющей на обычные реакции, является управление нейтронами , высвобождаемыми во время реакции, которые со временем разлагаются .многие распространенные материалы, используемые в реакционной камере.
Исследователи Fusion исследовали различные концепции заключения. Вначале упор делался на три основные системы: z-пинч , стелларатор и магнитное зеркало . В настоящее время ведущими конструкциями являются токамак и инерционное удержание (ICF) с помощью лазера . Оба проекта исследуются в очень больших масштабах, в первую очередь токамак ИТЭР во Франции и лазер National Ignition Facility (NIF) в Соединенных Штатах. Исследователи также изучают другие конструкции, которые могут предложить более дешевые подходы. Среди этих альтернатив растет интерес к синтезу намагниченных мишеней иинерционное электростатическое удержание и новые варианты стелларатора.
Реакции синтеза происходят, когда два или более атомных ядра сближаются достаточно долго, чтобы ядерная сила, стягивающая их вместе, превышала электростатическую силу, раздвигающую их, сливая их в более тяжелые ядра. Для ядер тяжелее железа-56 реакция эндотермическая , требующая затрат энергии. [2] Тяжелые ядра крупнее железа имеют гораздо больше протонов, что приводит к большей силе отталкивания. Для ядер легче железа-56 реакция экзотермическая ., высвобождая энергию, когда они сливаются. Поскольку водород имеет один протон в своем ядре, он требует наименьших усилий для достижения синтеза и дает наибольшую чистую выходную энергию. Кроме того, поскольку он имеет один электрон, водород является наиболее легким топливом для полной ионизации.
Сильное взаимодействие действует только на коротких расстояниях (не более одного фемтометра, диаметра одного протона или нейтрона), тогда как отталкивающая электростатическая сила между ядрами действует на больших расстояниях. Чтобы осуществить синтез, атомам топлива необходимо придать достаточную кинетическую энергию, чтобы приблизиться друг к другу достаточно близко, чтобы сильная сила смогла преодолеть электростатическое отталкивание. Количество кинетической энергии , необходимое для достаточного сближения атомов топлива, известно как « кулоновский барьер ». Способы получения этой энергии включают ускорение атомов в ускорителе частиц или их нагрев до высоких температур.
