Сила термоядерного синтеза
Энергия термоядерного синтеза — это предлагаемая форма производства электроэнергии , которая будет генерировать электроэнергию за счет использования тепла реакций ядерного синтеза . В процессе термоядерного 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. Исследования термоядерных реакторов начались в 1940-х годах, но по состоянию на 2024 год ни одно устройство не достигло полезной мощности, хотя чистые положительные реакции были достигнуты. [1] [2] [3] [4]
Процессы термоядерного синтеза требуют топлива и замкнутой среды с достаточной температурой , давлением и временем удержания для создания плазмы , в которой может происходить термоядерный синтез. Комбинация этих цифр, приводящая к созданию системы 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. В предлагаемых термоядерных реакторах обычно используются тяжелые изотопы водорода , такие как дейтерий и тритий (и особенно смесь этих двух ), которые реагируют легче, чем протий (наиболее распространенный изотоп водорода ), что позволяет им достичь требований критерия Лоусона в менее экстремальных условиях. . Большинство проектов направлено на нагрев топлива примерно до 100 миллионов Кельвинов, что представляет собой серьезную проблему для создания успешной конструкции. Тритий чрезвычайно редок на Земле, его период полураспада составляет всего ~12,3 года. Следовательно, во время работы предполагаемых термоядерных реакторов, известных как реакторы-размножители, галечные слои, охлаждаемые гелием (HCPB), подвергаются воздействию нейтронных потоков с образованием трития для завершения топливного цикла [5] .
Как источник энергии, ядерный синтез имеет ряд потенциальных преимуществ по сравнению с делением . К ним относятся снижение радиоактивности при эксплуатации, небольшое количество высокоактивных ядерных отходов , достаточные запасы топлива (при условии, что размножается тритий или некоторые формы анейтронного топлива ) и повышенная безопасность. Однако оказалось, что необходимое сочетание температуры, давления и продолжительности обеспечить практическим и экономичным способом. Вторая проблема, влияющая на распространенные реакции, — это управление нейтронами , выделяющимися во время реакции, которые со временем разрушают многие распространенные материалы, используемые в реакционной камере.
Исследователи термоядерного синтеза исследовали различные концепции удержания. Вначале акцент был сделан на трёх основных системах: z-пинче , стеллараторе и магнитном зеркале . В настоящее время ведущими разработками являются токамак и инерционное удержание (ICF) с помощью лазера . Обе конструкции находятся в стадии исследования в очень больших масштабах, в первую очередь токамак ИТЭР во Франции и лазер Национальной установки зажигания (NIF) в США. Исследователи также изучают другие конструкции, которые могут предложить менее дорогостоящие подходы. Среди этих альтернатив растет интерес к синтезу намагниченных мишеней и инерционному электростатическому удержанию , а также к новым вариантам стелларатора.
Реакции синтеза происходят, когда два или более атомных ядра сближаются настолько близко, что ядерная сила , стягивающая их вместе, превышает электростатическую силу , раздвигающую их, превращая их в более тяжелые ядра. Для ядер тяжелее железа-56 реакция эндотермическая и требует затрат энергии. [6] Тяжелые ядра крупнее железа содержат гораздо больше протонов, что приводит к большей силе отталкивания. Для ядер более легких, чем железо-56, реакция экзотермическая , при слиянии которых выделяется энергия. Поскольку водород имеет в ядре один протон , для термоядерного синтеза требуется наименьшее усилие, и он дает наибольший выход чистой энергии. Кроме того, поскольку у него один электрон, водород является топливом, которое легче всего полностью ионизировать.
