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Sistema para estudiar el problema de la fusión termonuclear controlada. Problemas del control de la fusión termonuclear (TF)

1. Introducción

2. Reacciones termonucleares en el Sol

3. Problemas del control de la fusión termonuclear.

3.1 Problemas económicos

3.2 Problemas médicos

4. Conclusión

5. Referencias

1. Introducción

El problema de la fusión termonuclear controlada es una de las tareas más importantes a las que se enfrenta la humanidad.

La civilización humana no puede existir, y mucho menos desarrollarse, sin energía. Todo el mundo sabe que las fuentes de energía desarrolladas, lamentablemente, pronto se agotarán: según el Consejo Mundial de la Energía, en la Tierra quedan reservas probadas de combustibles de hidrocarburos para 30 años.

Hoy las principales fuentes de energía son el petróleo, el gas y el carbón.

Según los expertos, las reservas de estos minerales se están agotando. Casi no quedan yacimientos petrolíferos explorados y explotables, y es posible que nuestros nietos ya se enfrenten a un problema muy grave de escasez de energía.

Las centrales nucleares más ricas en combustible podrían, por supuesto, suministrar electricidad a la humanidad durante cientos de años.

Objeto de estudio: Problemas de la fusión termonuclear controlada.

Tema de estudio: Fusión termonuclear.

Propósito del estudio: Resolver el problema del control de la fusión termonuclear;

Investigar objetivos:

· Estudiar los tipos de reacciones termonucleares.

· Considere todas las opciones posibles para entregar la energía liberada durante una reacción termonuclear a una persona.

· Proponer una teoría sobre la conversión de energía en electricidad.

Hecho original:

La energía nuclear se libera durante la desintegración o fusión de los núcleos atómicos. Cualquier energía (física, química o nuclear) se manifiesta por su capacidad para realizar trabajo, emitir calor o radiación. La energía en cualquier sistema siempre se conserva, pero puede transferirse a otro sistema o cambiar de forma.

Logro Las condiciones de fusión termonuclear controlada se ven obstaculizadas por varios problemas principales:

· Primero, necesitas calentar el gas a una temperatura muy alta.

· En segundo lugar, es necesario controlar el número de núcleos que reaccionan durante un tiempo suficientemente largo.

· En tercer lugar, la cantidad de energía liberada debe ser mayor que la gastada para calentar y limitar la densidad del gas.

· El siguiente problema es la acumulación de esta energía y su conversión en electricidad.

2. Reacciones termonucleares en el Sol

¿Cuál es la fuente de la energía solar? ¿Cuál es la naturaleza de los procesos durante los cuales se producen enormes cantidades de energía? ¿Hasta cuándo seguirá brillando el sol?

Los primeros intentos de responder a estas preguntas los hicieron los astrónomos a mediados del siglo XIX, después de que los físicos formularan la ley de conservación de la energía.

Robert Mayer sugirió que el Sol brilla debido al constante bombardeo de la superficie por meteoritos y partículas meteóricas. Esta hipótesis fue rechazada, ya que un simple cálculo muestra que para mantener la luminosidad del Sol en el nivel actual, es necesario que cada segundo caigan sobre él 2∙1015 kg de materia meteórica. En un año será 6∙1022 kg, y durante la existencia del Sol, en 5 mil millones de años, 3∙1032 kg. La masa del Sol M = 2∙1030 kg, por lo tanto, durante cinco mil millones de años, se producirán 150 sustancias. veces más masa de la que debería haber caído sobre el Sol.

La segunda hipótesis fue expresada por Helmholtz y Kelvin también a mediados del siglo XIX. Sugirieron que el Sol irradia anualmente debido a la compresión de 60 a 70 metros. La razón de la compresión es la atracción mutua de las partículas del Sol, por lo que se llamó a esta hipótesis /> contractivo. Si hacemos un cálculo de acuerdo con esta hipótesis, entonces la edad del Sol no superará los 20 millones de años, lo que contradice los datos modernos obtenidos del análisis de la desintegración radiactiva de elementos en muestras geológicas del suelo de la Tierra y del suelo de la luna.

La tercera hipótesis sobre posibles fuentes de energía solar fue expresada por James Jeans a principios del siglo XX. Sugirió que en las profundidades del Sol hay elementos radiactivos pesados que se desintegran espontáneamente y emiten energía: por ejemplo, la transformación del uranio en torio y luego en plomo va acompañada de la liberación de energía. El análisis posterior de esta hipótesis también mostró su inconsistencia: una estrella compuesta únicamente de uranio no liberaría suficiente energía para proporcionar la luminosidad observada del Sol. Además, hay estrellas con luminosidades muchas veces mayores que la luminosidad de nuestra estrella. Es poco probable que esas estrellas tengan también mayores reservas de material radiactivo.

La hipótesis más probable resultó ser la hipótesis de la síntesis de elementos como resultado de reacciones nucleares en las entrañas de las estrellas.

En 1935, Hans Bethe planteó la hipótesis de que la fuente de energía solar podría ser la reacción termonuclear de conversión de hidrógeno en helio. Por ello Bethe recibió el Premio Nobel en 1967.

La composición química del Sol es aproximadamente la misma que la de la mayoría de las demás estrellas. Aproximadamente el 75% es hidrógeno, el 25% es helio y menos del 1% son todos los demás elementos químicos (principalmente carbono, oxígeno, nitrógeno, etc.). Inmediatamente después del nacimiento del Universo, no hubo ningún elemento "pesado". Todos ellos, es decir Elementos más pesados que el helio, e incluso muchas partículas alfa, se formaron durante la “quema” de hidrógeno en las estrellas mediante fusión termonuclear. La vida útil característica de una estrella como el Sol es de diez mil millones de años.

La principal fuente de energía es el ciclo protón-protón, una reacción muy lenta (tiempo característico 7,9∙109 años), ya que es causada por una interacción débil. Su esencia es que cuatro protones producen un núcleo de helio. En este caso se liberan un par de positrones y un par de neutrinos, además de una energía de 26,7 MeV. El número de neutrinos emitidos por el Sol por segundo está determinado únicamente por la luminosidad del Sol. Dado que cuando se liberan 26,7 MeV nacen 2 neutrinos, la tasa de emisión de neutrinos es: 1,8∙1038 neutrinos/s. Una prueba directa de esta teoría es la observación de neutrinos solares. Los neutrinos de alta energía (boro) se detectan en experimentos con cloro-argón (experimentos de Davis) y muestran consistentemente una falta de neutrinos en comparación con el valor teórico del modelo solar estándar. Los neutrinos de baja energía que surgen directamente en la reacción pp se registran en experimentos con galio-germanio (GALLEX en Gran Sasso (Italia - Alemania) y SAGE en Baksan (Rusia - EE. UU.)); también están “desaparecidos”.

Según algunas suposiciones, si los neutrinos tienen una masa en reposo diferente de cero, son posibles oscilaciones (transformaciones) de diferentes tipos de neutrinos (el efecto Mikheev-Smirnov-Wolfenstein) (hay tres tipos de neutrinos: electrones, muones y tauones). . Porque Otros neutrinos tienen secciones transversales de interacción con la materia mucho más pequeñas que los electrones; el déficit observado se puede explicar sin cambiar el modelo estándar del Sol, construido sobre la base de todo el conjunto de datos astronómicos.

Cada segundo, el Sol procesa alrededor de 600 millones de toneladas de hidrógeno. El suministro de combustible nuclear durará otros cinco mil millones de años, después de los cuales se convertirá gradualmente en una enana blanca.

Las partes centrales del Sol se contraerán, se calentarán, y el calor transferido a la capa exterior provocará su expansión a tamaños monstruosos en comparación con los modernos: el Sol se expandirá tanto que absorberá a Mercurio, Venus y consumirá " combustible” cien veces más rápido que en la actualidad. Esto conducirá a un aumento del tamaño del Sol; ¡Nuestra estrella se convertirá en una gigante roja, cuyo tamaño será comparable a la distancia de la Tierra al Sol!

Por supuesto, estaremos al tanto de un evento de este tipo con anticipación, ya que la transición a una nueva etapa tardará aproximadamente entre 100 y 200 millones de años. Cuando la temperatura de la parte central del Sol alcance los 100.000.000 K, el helio comenzará a arder, convirtiéndose en elementos pesados, y el Sol entrará en la etapa de complejos ciclos de compresión y expansión. En la última etapa, nuestra estrella perderá su capa exterior y el núcleo central tendrá una densidad y un tamaño increíblemente altos, como el de la Tierra. Pasarán unos cuantos miles de millones de años más y el Sol se enfriará y se convertirá en una enana blanca.

3. Problemas de la fusión termonuclear controlada

Los investigadores de todos los países desarrollados cifran sus esperanzas de superar la próxima crisis energética en una reacción termonuclear controlada. Esta reacción, la síntesis de helio a partir de deuterio y tritio, se produce en el Sol desde hace millones de años, y en condiciones terrestres se intenta llevar a cabo desde hace cincuenta años en instalaciones láser gigantescas y muy caras, los tokamaks. (un dispositivo para llevar a cabo una reacción de fusión termonuclear en plasma caliente) y estelaradores (una trampa magnética cerrada para contener plasma a alta temperatura). Sin embargo, hay otras formas de resolver este difícil problema y, en lugar de enormes tokamaks para realizar la fusión termonuclear, probablemente será posible utilizar un colisionador bastante compacto y económico: un acelerador sobre haces en colisión.

Tokamak requiere cantidades muy pequeñas de litio y deuterio para funcionar. Por ejemplo, un reactor con una potencia eléctrica de 1 GW quema unos 100 kg de deuterio y 300 kg de litio al año. Si asumimos que todas las centrales termonucleares producirán 10 billones de kWh de electricidad al año, es decir, la misma cantidad que producen hoy todas las centrales eléctricas de la Tierra, entonces las reservas mundiales de deuterio y litio serán suficientes para abastecer de energía a la humanidad. durante muchos millones de años.

Además de la fusión de deuterio o litio, también es posible una fusión termonuclear puramente solar cuando se combinan dos átomos de deuterio. Si se domina esta reacción, los problemas energéticos se resolverán de inmediato y para siempre.

En cualquiera de las variantes conocidas de fusión termonuclear controlada (CTF), las reacciones termonucleares no pueden entrar en el modo de aumento incontrolado de potencia, por lo que dichos reactores no son intrínsecamente seguros.

Desde un punto de vista físico, el problema se formula de forma sencilla. Para llevar a cabo una reacción de fusión nuclear autosostenida es necesario y suficiente que se cumplan dos condiciones.

1. La energía de los núcleos implicados en la reacción debe ser al menos de 10 keV. Para que se produzca la fusión nuclear, los núcleos que participan en la reacción deben caer en el campo de fuerzas nucleares, cuyo radio es de 10-12-10-13 cm. Sin embargo, los núcleos atómicos tienen una carga eléctrica positiva y cargas similares se repelen entre sí. En el umbral de acción de las fuerzas nucleares, la energía de repulsión de Coulomb es del orden de 10 keV. Para superar esta barrera, los núcleos en el momento de la colisión deben tener una energía cinética al menos no menor que este valor.

2. El producto de la concentración de los núcleos reactivos por el tiempo de retención durante el cual retienen la energía especificada deberá ser de al menos 1014 s.cm-3. Esta condición, el llamado criterio de Lawson, determina el límite del beneficio energético de la reacción. Para que la energía liberada en la reacción de fusión cubra al menos los costos energéticos de iniciar la reacción, los núcleos atómicos deben sufrir muchas colisiones. En cada colisión en la que se produce una reacción de fusión entre deuterio (D) y tritio (T), se liberan 17,6 MeV de energía, es decir, aproximadamente 3,10-12 J. Si, por ejemplo, se gastan 10 MJ de energía en la ignición, entonces la reacción no será rentable si en él participan al menos 3,1018 pares D-T. Y para ello, es necesario mantener un plasma bastante denso y de alta energía en el reactor durante bastante tiempo. Esta condición se expresa mediante el criterio de Lawson.

Si se pueden cumplir ambos requisitos simultáneamente, se resolverá el problema de la fusión termonuclear controlada.

Sin embargo, la implementación técnica de este problema físico enfrenta enormes dificultades. Al fin y al cabo, una energía de 10 keV equivale a una temperatura de 100 millones de grados. Una sustancia se puede mantener a esa temperatura incluso durante una fracción de segundo sólo en el vacío, aislándola de las paredes de la instalación.

Pero existe otro método para resolver este problema: la fusión termonuclear fría. ¿Qué es una reacción termonuclear fría? Es un análogo de una reacción termonuclear "caliente" que tiene lugar a temperatura ambiente.

En la naturaleza, existen al menos dos formas de cambiar la materia dentro de una dimensión del continuo. Puedes hervir agua al fuego, es decir. térmicamente, o en un horno microondas, es decir. frecuencia El resultado es el mismo: el agua hierve, la única diferencia es que el método de frecuencia es más rápido. Alcanzar temperaturas ultraaltas también se utiliza para dividir el núcleo de un átomo. El método térmico da lugar a una reacción nuclear incontrolable. La energía de la fusión termonuclear fría es la energía del estado de transición. Una de las principales condiciones para el diseño de un reactor para llevar a cabo una reacción termonuclear en frío es la condición de su forma piramidal-cristalina. Otra condición importante es la presencia de campos magnéticos giratorios y de torsión. La intersección de los campos se produce en el punto de equilibrio inestable del núcleo de hidrógeno.

Los científicos Ruzi Taleyarkhan del Laboratorio Nacional Oak Ridge, Richard Lahey de la Universidad Politécnica. Rensilira y el académico Robert Nigmatulin registraron una reacción termonuclear fría en el laboratorio.

El grupo utilizó un vaso de precipitados con acetona líquida del tamaño de dos o tres vasos. Las ondas sonoras se transmitieron intensamente a través del líquido, produciendo un efecto conocido en física como cavitación acústica, cuya consecuencia es la sonoluminiscencia. Durante la cavitación, aparecieron pequeñas burbujas en el líquido, que aumentaron hasta dos milímetros de diámetro y explotaron. Las explosiones fueron acompañadas de destellos de luz y liberación de energía, es decir. la temperatura dentro de las burbujas en el momento de la explosión alcanzó los 10 millones de grados Kelvin y la energía liberada, según los experimentadores, es suficiente para llevar a cabo una fusión termonuclear.

La esencia "técnica" de la reacción es que como resultado de la combinación de dos átomos de deuterio, se forma un tercero: un isótopo de hidrógeno, conocido como tritio, y un neutrón, caracterizado por una cantidad colosal de energía.

3.1 Problemas económicos

A la hora de crear un CTS se supone que será una gran instalación equipada con potentes ordenadores. Será toda una pequeña ciudad. Pero en caso de accidente o avería del equipo, el funcionamiento de la estación se verá afectado.

Esto no está previsto, por ejemplo, en los diseños modernos de centrales nucleares. Se cree que lo principal es construirlos, y lo que suceda después no importa.

Pero si falla una estación, muchas ciudades se quedarán sin electricidad. Esto se puede observar, por ejemplo, en la central nuclear de Armenia. La eliminación de residuos radiactivos se ha vuelto muy costosa. Debido a las exigencias ecológicas, se cerró la central nuclear. La población se quedó sin electricidad, el equipamiento de la central eléctrica se desgastó y se desperdició el dinero asignado por los organismos internacionales para la restauración.

Un grave problema económico es la descontaminación de las instalaciones de producción abandonadas donde se procesaba el uranio. Por ejemplo, "la ciudad de Aktau tiene su pequeño Chernobyl". Está situada en el territorio de la planta química hidrometalúrgica (KhMZ). La radiación gamma de fondo en la planta de procesamiento de uranio (HMC) alcanza en algunos lugares los 11.000 microroentgens. por hora, el nivel medio de fondo es de 200 microroentgens (el fondo natural habitual es de 10 a 25 microroentgens por hora). Después de que se detuvo la planta, no se llevó a cabo ninguna descontaminación aquí. Una parte importante del equipo, alrededor de quince mil toneladas, ya tiene una radiactividad indestructible. Al mismo tiempo, estos objetos peligrosos se almacenan al aire libre, mal vigilados y constantemente sacados del territorio de la KhGMZ.

Por lo tanto, al no existir instalaciones de producción permanentes, debido a la aparición de nuevas tecnologías, la TTS puede cerrarse, y luego los objetos y metales de la empresa acabarán en el mercado y la población local sufrirá.

El sistema de refrigeración del UTS utilizará agua. Pero según los ecologistas, si tomamos las estadísticas de las centrales nucleares, el agua de estos embalses no es apta para beber.

Según los expertos, el depósito está lleno de metales pesados (en particular, torio-232) y, en algunos lugares, el nivel de radiación gamma alcanza entre 50 y 60 microroentgens por hora.

Es decir, ahora, durante la construcción de una central nuclear, no se prevén medios que devuelvan la zona a su estado original. Y después del cierre de la empresa, nadie sabe cómo enterrar los residuos acumulados y limpiar la antigua empresa.

3.2 Problemas médicos

Los efectos nocivos de los UTS incluyen la producción de mutantes de virus y bacterias que producen sustancias nocivas. Esto es especialmente cierto en el caso de los virus y bacterias que se encuentran en el cuerpo humano. La aparición de tumores malignos y cáncer probablemente será una enfermedad común entre los habitantes de las aldeas cercanas a la UTS. Los habitantes siempre sufren más, ya que no tienen ningún medio de protección, los dosímetros son caros y los medicamentos no están disponibles. Los residuos del sistema de calefacción se arrojarán a los ríos, se ventilarán al aire o se bombearán a capas subterráneas, como está sucediendo ahora en las centrales nucleares.

Además de los daños que aparecen poco después de la exposición a altas dosis, las radiaciones ionizantes provocan consecuencias a largo plazo. Principalmente carcinogénesis y trastornos genéticos que pueden ocurrir con cualquier dosis y tipo de irradiación (única, crónica, local).

Según los informes de los médicos que registraron las enfermedades de los trabajadores de las centrales nucleares, primero vienen las enfermedades cardiovasculares (infartos), luego el cáncer. El músculo cardíaco bajo la influencia de la radiación se vuelve más delgado, se vuelve flácido y menos fuerte. Hay enfermedades completamente incomprensibles. Por ejemplo, insuficiencia hepática. Pero ninguno de los médicos aún sabe por qué sucede esto. Si durante un accidente entran sustancias radiactivas en el tracto respiratorio, los médicos extirpan el tejido dañado del pulmón y la tráquea y la persona discapacitada camina con un dispositivo portátil para respirar.

4. Conclusión

La humanidad necesita energía y su necesidad aumenta cada año. Al mismo tiempo, las reservas de combustibles naturales tradicionales (petróleo, carbón, gas, etc.) son finitas. También hay reservas finitas de combustible nuclear: uranio y torio, de los cuales se puede obtener plutonio en reactores reproductores. Las reservas de combustible termonuclear –el hidrógeno– son prácticamente inagotables.

En 1991, por primera vez fue posible obtener una cantidad significativa de energía: aproximadamente 1,7 millones de vatios como resultado de la fusión nuclear controlada en el Laboratorio Conjunto Europeo (Torus). En diciembre de 1993, investigadores de la Universidad de Princeton utilizaron un reactor de fusión tokamak para producir una reacción nuclear controlada que generó 5,6 millones de vatios de energía. Sin embargo, tanto el reactor Tokamak como el laboratorio Torus gastaron más energía de la que recibieron.

Si la producción de energía de fusión nuclear se vuelve prácticamente accesible, proporcionará una fuente ilimitada de combustible.

5. Referencias

1) Revista “New Look” (Física; Para la futura élite).

2) Libro de texto de Física 11º grado.

3) Academia de Energía (análisis; ideas; proyectos).

4) Personas y átomos (William Lawrence).

5) Elementos del universo (Seaborg y Valence).

6) Diccionario enciclopédico soviético.

7) Enciclopedia Encarta 96.

8) Astronomía - www.college.ru./astronomy.

3. Problemas de la fusión termonuclear controlada

Los investigadores de todos los países desarrollados cifran sus esperanzas de superar la próxima crisis energética en una reacción termonuclear controlada. Esta reacción, la síntesis de helio a partir de deuterio y tritio, se produce en el Sol desde hace millones de años, y en condiciones terrestres se intenta llevar a cabo desde hace cincuenta años en instalaciones láser gigantescas y muy caras, los tokamaks. (un dispositivo para llevar a cabo reacciones de fusión termonuclear en plasma caliente) y estelaradores (trampa magnética cerrada para confinar plasma a alta temperatura). Sin embargo, hay otras formas de resolver este difícil problema y, en lugar de enormes tokamaks, probablemente será posible utilizar un colisionador bastante compacto y económico (un acelerador de haz en colisión) para llevar a cabo la fusión termonuclear.

Tokamak requiere cantidades muy pequeñas de litio y deuterio para funcionar. Por ejemplo, un reactor con una potencia eléctrica de 1 GW quema unos 100 kg de deuterio y 300 kg de litio al año. Si asumimos que todas las centrales de fusión producirán 10 billones. kWh de electricidad al año, es decir, la misma cantidad que producen hoy todas las centrales eléctricas de la Tierra, entonces las reservas mundiales de deuterio y litio serán suficientes para suministrar energía a la humanidad durante muchos millones de años.

Además de la fusión del deuterio y el litio, también es posible una fusión puramente solar cuando se combinan dos átomos de deuterio. Si se domina esta reacción, los problemas energéticos se resolverán de inmediato y para siempre.

Desde un punto de vista físico, el problema se formula de forma sencilla. Para llevar a cabo una reacción de fusión nuclear autosostenida es necesario y suficiente que se cumplan dos condiciones.

1. La energía de los núcleos implicados en la reacción debe ser al menos de 10 keV. Para que se produzca la fusión nuclear, los núcleos que participan en la reacción deben caer en el campo de fuerzas nucleares, cuyo radio es de 10-12-10-13 cm. Sin embargo, los núcleos atómicos tienen una carga eléctrica positiva y cargas similares se repelen. En el límite de acción de las fuerzas nucleares, la energía de repulsión de Coulomb es del orden de 10 keV. Para superar esta barrera, los núcleos en el momento de la colisión deben tener una energía cinética al menos no menor que este valor.

2. El producto de la concentración de los núcleos reactivos por el tiempo de retención durante el cual retienen la energía especificada deberá ser de al menos 1014 s.cm-3. Esta condición, el llamado criterio de Lawson, determina el límite del beneficio energético de la reacción. Para que la energía liberada en la reacción de fusión cubra al menos los costos energéticos de iniciar la reacción, los núcleos atómicos deben sufrir muchas colisiones. En cada colisión en la que se produce una reacción de fusión entre deuterio (D) y tritio (T), se liberan 17,6 MeV de energía, es decir, aproximadamente 3,10-12 J. Si, por ejemplo, se gastan 10 MJ de energía en la ignición, entonces la La reacción no será rentable si en ella participan al menos 3,1018 pares D-T. Y para ello, es necesario mantener un plasma bastante denso y de alta energía en el reactor durante bastante tiempo. Esta condición se expresa mediante el criterio de Lawson.

Si se pueden cumplir ambos requisitos simultáneamente, se resolverá el problema de la fusión termonuclear controlada.

Sin embargo, la implementación técnica de este problema físico enfrenta enormes dificultades. Al fin y al cabo, una energía de 10 keV equivale a una temperatura de 100 millones de grados. Una sustancia sólo puede mantenerse a esta temperatura aunque sea una fracción de segundo en el vacío, aislándola de las paredes de la instalación.

Pero existe otro método para resolver este problema: la fusión en frío. ¿Qué es una reacción termonuclear fría? Es un análogo de una reacción termonuclear "caliente" que tiene lugar a temperatura ambiente.

En la naturaleza, existen al menos dos formas de cambiar la materia dentro de una dimensión del continuo. Puedes hervir agua al fuego, es decir. térmicamente, o en un horno microondas, es decir. frecuencia. El resultado es el mismo: el agua hierve, la única diferencia es que el método de frecuencia es más rápido. Alcanzar temperaturas ultraaltas también se utiliza para dividir el núcleo de un átomo. El método térmico produce una reacción nuclear incontrolable. La energía de un termonuclear frío es la energía del estado de transición. Una de las principales condiciones para el diseño de un reactor para realizar una reacción termonuclear en frío es la condición de su forma cristalina piramidal. Otra condición importante es la presencia de campos magnéticos giratorios y de torsión. La intersección de campos se produce en el punto de equilibrio inestable del núcleo de hidrógeno.

El grupo utilizó un vaso de precipitados con acetona líquida del tamaño de dos o tres vasos. Las ondas sonoras se transmitieron intensamente a través del líquido, produciendo un efecto conocido en física como cavitación acústica, que da como resultado la sonoluminiscencia. Durante la cavitación, aparecieron pequeñas burbujas en el líquido, que aumentaron hasta dos milímetros de diámetro y explotaron. Las explosiones fueron acompañadas de destellos de luz y liberación de energía, es decir. la temperatura dentro de las burbujas en el momento de la explosión alcanzó los 10 millones de grados Kelvin y la energía liberada, según los experimentadores, es suficiente para llevar a cabo una fusión termonuclear.

"Técnicamente", la esencia de la reacción es que, como resultado de la combinación de dos átomos de deuterio, se forma un tercero: un isótopo de hidrógeno, conocido como tritio, y un neutrón, caracterizado por una cantidad colosal de energía.

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MINISTERIO DE EDUCACIÓN Y CIENCIA DE LA FEDERACIÓN DE RUSIA

Agencia Federal para la Educación

Institución educativa estatal de educación profesional superior "Universidad Pedagógica Estatal de Blagoveshchensk"

Facultad de Física y Matemáticas

Departamento de Física General

Trabajo del curso

sobre el tema: Problemas de la fusión termonuclear.

disciplina: Física

Intérprete: V.S. kletchenko

Jefe: V.A. Evdokimova

Blagovéshchensk 2010

Introducción

Proyecto ITER

Conclusión

Literatura

Introducción

Actualmente, la humanidad no puede imaginar su vida sin electricidad. Ella está en todas partes. Pero los métodos tradicionales de generación de electricidad no son baratos: basta imaginar la construcción de una central hidroeléctrica o un reactor de central nuclear e inmediatamente queda claro por qué. Los científicos del siglo XX, ante una crisis energética, encontraron una manera de producir electricidad a partir de una sustancia cuya cantidad es ilimitada. Las reacciones termonucleares ocurren durante la desintegración del deuterio y el tritio. Un litro de agua contiene tanto deuterio que la fusión termonuclear puede liberar tanta energía como la que se produce al quemar 350 litros de gasolina. Es decir, podemos concluir que el agua es una fuente ilimitada de energía.

Si obtener energía mediante la fusión termonuclear fuera tan sencillo como utilizar centrales hidroeléctricas, la humanidad nunca experimentaría una crisis energética. Para obtener energía de esta forma se requiere una temperatura equivalente a la temperatura en el centro del sol. ¿Dónde conseguir esta temperatura, qué tan caras serán las instalaciones, qué tan rentable es dicha producción de energía y si dicha instalación es segura? Estas preguntas serán respondidas en este trabajo.

Objeto del trabajo: estudiar las propiedades y problemas de la fusión termonuclear.

Reacciones termonucleares y sus beneficios energéticos.

Reacción termonuclear -síntesis de núcleos atómicos más pesados a partir de otros más ligeros para obtener energía, que está controlada.

Se sabe que el núcleo de un átomo de hidrógeno es un protón p. Hay mucho de ese hidrógeno en la naturaleza, en el aire y en el agua. Además, existen isótopos de hidrógeno más pesados. El núcleo de uno de ellos contiene, además del protón p, también un neutrón. norte . Este isótopo se llama deuterio. D . El núcleo de otro isótopo contiene, además del protón p, dos neutrones. norte y se llama tritio (tritio) T. Las reacciones termonucleares ocurren de manera más eficiente a temperaturas ultraaltas del orden de 10 7 – 10 9 K. Durante las reacciones termonucleares, se libera una energía muy grande, que excede la energía que se libera durante la fisión de núcleos pesados. La reacción de fusión libera energía, que por 1 kg de sustancia es significativamente mayor que la energía liberada en la reacción de fisión del uranio. (Aquí, la energía liberada se refiere a la energía cinética de las partículas formadas como resultado de la reacción). Por ejemplo, en la reacción de fusión de núcleos de deuterio 1 2 D y tritio 1 3 T en el núcleo de helio 2 4 He:

1 2 D + 1 3 T → 2 4 Él + 0 1 norte,

La energía liberada es de aproximadamente 3,5 MeV por nucleón. En las reacciones de fisión, la energía por nucleón es de aproximadamente 1 MeV.

Al sintetizar un núcleo de helio a partir de cuatro protones:

4 1 1 p→ 2 4 No + 2 +1 1 e,

Se libera una energía aún mayor, equivalente a 6,7 MeV por partícula. El beneficio energético de las reacciones termonucleares se explica por el hecho de que la energía de enlace específica en el núcleo de un átomo de helio excede significativamente la energía de enlace específica de los núcleos de los isótopos de hidrógeno. Así, con la implementación exitosa de reacciones termonucleares controladas, la humanidad recibirá una nueva y poderosa fuente de energía.

Condiciones para reacciones termonucleares.

Para la fusión de núcleos ligeros es necesario superar la barrera de potencial causada por la repulsión de Coulomb de los protones en núcleos con carga positiva similar. Para fusionar núcleos de hidrógeno. 1 2D hay que acercarlos r , igual a aproximadamente r ≈ 3 10-15 metro Para hacer esto, es necesario realizar un trabajo igual a la energía potencial electrostática de repulsión P = e 2 : (4πε 0r ) ≈ 0,1 MeV. Los núcleos de Deuteron podrán superar dicha barrera si, en caso de colisión, su energía cinética promedio 3/2kt será igual a 0,1 MeV. Esto es posible en T=2 10 9 K. En la práctica, la temperatura necesaria para que se produzcan reacciones termonucleares disminuye en dos órdenes de magnitud y asciende a 10 7k.

Temperatura alrededor de 10 7 K es característico de la parte central del Sol. El análisis espectral ha demostrado que la materia del Sol, como muchas otras estrellas, contiene hasta un 80% de hidrógeno y aproximadamente un 20% de helio. El carbono, el nitrógeno y el oxígeno no constituyen más del 1% de la masa de las estrellas. Con la enorme masa del Sol (≈ 2 10 27 kg) la cantidad de estos gases es bastante grande.

Las reacciones termonucleares ocurren en el Sol y las estrellas y son una fuente de energía que proporciona su radiación. Cada segundo el Sol emite energía 3,8 10 26 J, lo que corresponde a una disminución de su masa de 4,3 millones de toneladas. Liberación específica de energía solar, es decir La liberación de energía por unidad de masa del Sol por segundo es 1,9 10 -4 J/s kg. Es muy pequeño y asciende a unos 10 -3 % de la energía específica liberada en un organismo vivo durante el proceso metabólico. La potencia de radiación del Sol se ha mantenido prácticamente sin cambios a lo largo de los miles de millones de años de existencia del Sistema Solar.

Una de las formas en que ocurren las reacciones termonucleares en el Sol es el ciclo carbono-nitrógeno, en el que la combinación de núcleos de hidrógeno en un núcleo de helio se facilita en presencia de núcleos de carbono. 6 12 Con actuación como catalizadores. Al comienzo del ciclo, un protón rápido penetra en el núcleo de un átomo de carbono. 6 12 C y forma un núcleo inestable del isótopo de nitrógeno. 7 13 norte con radiación cuántica γ:

6 12 C + 1 1 p→ 7 13 N + γ.

Con una vida media de 14 minutos en el núcleo. 7 13 norte se produce la transformación 1 1 p→ 0 1 n + +1 0 mi + 0 0 ν mi y se forma el núcleo isotópico 6 13C:

7 13 N→ 6 13 C + +1 0 mi + 0 0 ν mi.

aproximadamente cada 32 millones de años el núcleo 7 14 norte Capta un protón y se convierte en un núcleo de oxígeno. 8 15 O:

7 14 N+ 1 1 p→ 8 15 O + γ.

Núcleo inestable 8 15 O con una vida media de 3 minutos emite un positrón y un neutrino y se convierte en un núcleo. 7 15 norte:

8 15 O→ 7 15 N+ +1 0 mi+ 0 0 ν mi.

El ciclo finaliza con la reacción de absorción por parte del núcleo. 7 15 norte protón con su desintegración en un núcleo de carbono 6 12 C y una partícula α. Esto sucede después de unos 100 mil años:

7 15 N+ 1 1 p→ 6 12 C + 2 4 He.

Un nuevo ciclo comienza de nuevo con la absorción de carbono 6 12 De un protón que emana en promedio después de 13 millones de años. Las reacciones individuales del ciclo están separadas en el tiempo por intervalos prohibitivamente grandes en escalas de tiempo terrestres. Sin embargo, el ciclo está cerrado y se produce de forma continua. Por lo tanto, varias reacciones del ciclo ocurren en el Sol simultáneamente, comenzando en diferentes momentos.

Como resultado de este ciclo, cuatro protones se fusionan en un núcleo de helio, produciendo dos positrones y rayos γ. A esto hay que sumarle la radiación que se produce cuando los positrones se fusionan con los electrones del plasma. Cuando se forma un átomo de helio, se liberan 700 mil kWh de energía. Esta cantidad de energía compensa la pérdida de energía solar por radiación. Los cálculos muestran que la cantidad de hidrógeno presente en el Sol será suficiente para mantener las reacciones termonucleares y la radiación solar durante miles de millones de años.

Realización de reacciones termonucleares en condiciones terrestres.

La implementación de reacciones termonucleares en condiciones terrestres creará enormes oportunidades para obtener energía. Por ejemplo, cuando se utiliza el deuterio contenido en un litro de agua, en una reacción de fusión termonuclear se liberará la misma cantidad de energía que durante la combustión de aproximadamente 350 litros de gasolina. Pero si la reacción termonuclear se desarrolla de forma espontánea, se producirá una explosión colosal, ya que la energía liberada en este caso es muy alta.

En una bomba de hidrógeno se lograron condiciones cercanas a las que se dan en las profundidades del Sol. Allí se produce una reacción termonuclear autosostenida de naturaleza explosiva. El explosivo es una mezcla de deuterio. 1 2 D con tritio 1 3 T. La alta temperatura necesaria para que se produzca la reacción se obtiene mediante la explosión de una bomba atómica ordinaria colocada dentro de una termonuclear.

Los principales problemas asociados con la implementación de reacciones termonucleares.

En un reactor termonuclear, la reacción de fusión debe ocurrir lentamente y debe ser posible controlarla. El estudio de las reacciones que ocurren en el plasma de deuterio a alta temperatura es la base teórica para la obtención de reacciones termonucleares controladas artificialmente. La principal dificultad es mantener las condiciones necesarias para obtener una reacción termonuclear autosostenida. Para tal reacción, es necesario que la tasa de liberación de energía en el sistema donde ocurre la reacción no sea menor que la tasa de eliminación de energía del sistema. A temperaturas de aproximadamente 10 8 Las reacciones termonucleares en el plasma de deuterio tienen una intensidad notable y van acompañadas de la liberación de alta energía. Cuando se combinan núcleos de deuterio, se libera una potencia de 3 kW/m por unidad de volumen de plasma. 3 . A temperaturas de aproximadamente 10 6 La potencia K es solo 10.-17W/m3.

¿Cómo utilizar prácticamente la energía liberada? Durante la síntesis de deuterio con triterio, la mayor parte de la energía liberada (alrededor del 80%) se manifiesta en forma de energía cinética de neutrones. Si estos neutrones se frenan fuera de una trampa magnética, se puede producir calor y luego convertirlo en energía eléctrica. Durante una reacción de fusión en deuterio, aproximadamente 2/3 de la energía liberada es transportada por partículas cargadas (productos de reacción y solo 1/3 de la energía) por neutrones. Y la energía cinética de las partículas cargadas se puede convertir directamente en energía eléctrica.

¿Qué condiciones se necesitan para que se produzcan reacciones de síntesis? En estas reacciones, los núcleos deben combinarse entre sí. Pero cada núcleo está cargado positivamente, lo que significa que existen fuerzas repulsivas entre ellos, las cuales están determinadas por la ley de Coulomb:

, r 2 z 1 z 2 mi 2 F ~

donde Z 1 mi – carga de un núcleo, Z2e es la carga del segundo núcleo, y mi – módulo de carga de electrones. Para conectarse entre sí, los núcleos deben superar las fuerzas repulsivas de Coulomb. Estas fuerzas se vuelven muy fuertes cuando los núcleos se acercan. Las fuerzas de repulsión serán menores en el caso de que los núcleos de hidrógeno tengan la carga más pequeña ( z =1). Para superar las fuerzas repulsivas de Coulomb y combinarse, los núcleos deben tener una energía cinética de aproximadamente 0,01 - 0,1 MeV. Esta energía corresponde a una temperatura del orden de 10 8 – 10 9 K. ¡Y esto es más que la temperatura incluso en las profundidades del Sol! Como las reacciones de fusión ocurren a temperaturas muy altas, se denominan reacciones termonucleares.

Las reacciones termonucleares pueden ser una fuente de energía si la liberación de energía excede los costos. Entonces, como suele decirse, el proceso de síntesis será autosostenible.

La temperatura a la que esto ocurre se llama temperatura de ignición o temperatura crítica. Para la reacción DT (deuterio - triterio) la temperatura de ignición es de aproximadamente 45 millones de K, y para la reacción DD (deuterio - deuterio) alrededor de 400 millones de K. Por tanto, para que se produzcan reacciones DT Se necesitan temperaturas mucho más bajas que para las reacciones. DD . Por lo tanto, los investigadores del plasma prefieren reacciones. DT , aunque el tritio no se encuentra en la naturaleza, y para su reproducción en un reactor termonuclear es necesario crear condiciones especiales.

¿Cómo mantener el plasma en algún tipo de instalación, un reactor termonuclear, y calentarlo para que comience el proceso de fusión? Las pérdidas de energía en el plasma a alta temperatura están asociadas principalmente con la pérdida de calor a través de las paredes del dispositivo. El plasma debe estar aislado de las paredes. Para ello se utilizan fuertes campos magnéticos (aislamiento térmico magnético del plasma). Si una gran corriente eléctrica pasa a través de una columna de plasma en la dirección de su eje, entonces surgen fuerzas en el campo magnético de esta corriente que comprimen el plasma en un cordón de plasma separado de las paredes. Mantener el plasma separado de las paredes y combatir sus diversas inestabilidades son problemas extremadamente complejos, cuya solución debería conducir a la realización práctica de reacciones termonucleares controladas.

Está claro que cuanto mayor es la concentración de partículas, más a menudo chocan entre sí. Por tanto, puede parecer que para llevar a cabo reacciones termonucleares es necesario utilizar plasma con una gran concentración de partículas. Sin embargo, si la concentración de partículas es la misma que la concentración de moléculas en los gases en condiciones normales (10 25metros-3 ), entonces, a temperaturas termonucleares, la presión en el plasma sería colosal: alrededor de 10 12 Pensilvania. ¡Ningún dispositivo técnico puede soportar tal presión! Para que la presión sea de unos 10 6 Pa y correspondía a la resistencia del material, el plasma termonuclear debería estar muy enrarecido (la concentración de partículas debería ser del orden de 10 21 m -3 ) Sin embargo, en un plasma enrarecido, las colisiones de partículas entre sí ocurren con menos frecuencia. Para que la reacción termonuclear se mantenga en estas condiciones es necesario aumentar el tiempo de residencia de las partículas en el reactor. En este sentido, la capacidad de retención de una trampa se caracteriza por el producto de la concentración n partículas para el tiempo t manteniéndolos atrapados.

Resulta que para la reacción. DD

nt>10 22 m -3. Con,

y para la reacción DT

nt>10 20 m -3. Con.

De esto queda claro que para la reacción DD en n=10 21 m -3 el tiempo de espera debe ser superior a 10 s; si n=10 24m-3 , entonces basta con que el tiempo de retención supere los 0,1 s.

Para una mezcla de deuterio y tritio en n=10 21 metro -3 Una reacción de fusión termonuclear puede comenzar si el tiempo de confinamiento del plasma es superior a 0,1 s, y cuando n=10 24m-3 basta con que este tiempo sea más de 10 -4 Con. Por tanto, en las mismas condiciones, el tiempo de retención de la reacción requerido es DT puede ser significativamente menor que en las reacciones DD . En este sentido, la reacción DT más fácil de implementar que la reacción D.D.

Implementación de reacciones termonucleares controladas en instalaciones tipo TOKAMAK.

Los físicos buscan persistentemente formas de capturar la energía de las reacciones de fusión termonuclear. Estas reacciones ya se están implementando en varias instalaciones termonucleares, pero la energía liberada en ellas aún no justifica el costo de dinero y mano de obra. En otras palabras, los reactores de fusión existentes aún no son económicamente viables. Entre los distintos programas de investigación termonuclear, el programa basado en reactores tokamak se considera actualmente el más prometedor. Los primeros estudios de descargas eléctricas anulares en un fuerte campo magnético longitudinal comenzaron en 1955 bajo la dirección de los físicos soviéticos I.N. Golovin y N.A. Yavlinsky. La instalación toroidal que construyeron era bastante grande incluso para los estándares modernos: estaba diseñada para descargas con una intensidad de corriente de hasta 250 kA. I.N. Golovin propuso el nombre “tokamak” (cámara de corriente, bobina magnética) para tales instalaciones. Este nombre es utilizado por físicos de todo el mundo.

Hasta 1968, la investigación sobre el tokamak se desarrolló principalmente en la Unión Soviética. En la actualidad existen más de 50 instalaciones de tipo tokamak en el mundo.

La Figura 1 muestra un diseño típico de tokamak. El campo magnético longitudinal que contiene es creado por bobinas portadoras de corriente que rodean la cámara toroidal. La corriente anular en el plasma se excita en la cámara como en el devanado secundario de un transformador cuando se descarga una batería de condensadores a través del devanado primario 2. El cable de plasma está encerrado en una cámara toroidal - revestimiento 4, hecho de acero inoxidable delgado varios milímetros de espesor. El revestimiento está rodeado por una carcasa de cobre de varios centímetros de espesor. El objetivo de la carcasa es estabilizar las lentas curvas de onda larga del filamento de plasma.

Los experimentos con tokamaks permitieron establecer que el tiempo de confinamiento del plasma (un valor que caracteriza la duración del plasma que mantiene la alta temperatura requerida) es proporcional al área de la sección transversal de la columna de plasma y a la inducción del campo magnético longitudinal. . La inducción magnética puede ser bastante grande cuando se utilizan materiales superconductores. Otra posibilidad para aumentar el tiempo de confinamiento del plasma es aumentar la sección transversal del filamento de plasma. Esto significa que es necesario aumentar el tamaño de los tokamaks. En el verano de 1975 en el Instituto de Energía Atómica que lleva el nombre de I.V. Kurchatov entró en funcionamiento el tokamak más grande, el T-10. Obtuvo los siguientes resultados: la temperatura de los iones en el centro del cordón es de 0,6 - 0,8 keV, la concentración promedio de partículas es de 8. 10 19 m-3 , tiempo de confinamiento del plasma de energía 40 – 60 ms, parámetro de confinamiento principal nt~(2.4-7.2) . 10 18m-3. Con.

Las instalaciones más grandes son los llamados tokamaks de demostración, que entraron en funcionamiento antes de 1985. Un tokamak de este tipo es el T-20. Tiene unas dimensiones muy impresionantes: el gran radio del toroide es de 5 metros, el radio de la cámara toroidal es de 2 metros y el volumen de plasma es de unos 400 metros cúbicos. El objetivo de la construcción de tales instalaciones no es sólo realizar experimentos e investigaciones físicas. Pero también el desarrollo de diversos aspectos tecnológicos del problema: la elección de materiales, el estudio de los cambios en sus propiedades bajo mayores influencias térmicas y de radiación, etc. La instalación T-20 está diseñada para obtener una reacción mixta. DT . Esta instalación proporciona una protección fiable contra potentes rayos X, un flujo de iones rápidos y neutrones. Se propone utilizar la energía del flujo de neutrones rápidos (10 17m-2. c), que en una capa protectora especial (manta) disminuirá la velocidad y cederá su energía al refrigerante. Además, si la manta contiene un isótopo de litio 3 6 Li , luego, bajo la influencia de neutrones, se convertirá en tritio, que no existe en la naturaleza.

La próxima generación de tokamaks serán plantas de energía de fusión a escala piloto y, en última instancia, producirán electricidad. Se espera que sean reactores "híbridos", cuyo manto contendrá material fisionable (uranio). Bajo la influencia de neutrones rápidos, se producirá una reacción de fisión en el uranio, lo que aumentará la producción total de energía de la instalación.

Entonces, los tokamaks son dispositivos en los que el plasma se calienta a altas temperaturas y se contiene. ¿Cómo se calienta el plasma en los tokamaks? En primer lugar, el plasma del tokamak se calienta mediante el flujo de corriente eléctrica, lo que se conoce como calentamiento óhmico del plasma. Pero a temperaturas muy altas, la resistencia del plasma cae considerablemente y el calentamiento óhmico se vuelve ineficaz, por lo que ahora se están explorando varios métodos para aumentar aún más la temperatura del plasma, como la inyección de partículas neutras rápidas en el plasma y el calentamiento de alta frecuencia.

Las partículas neutras no experimentan ninguna acción del campo magnético que confina el plasma y, por lo tanto, pueden "inyectarse" fácilmente en el plasma. Si estas partículas tienen alta energía, entonces, una vez que ingresan al plasma, se ionizan y, al chocar con las partículas de plasma, les transfieren parte de su energía y el plasma se calienta. Hoy en día, los métodos para producir corrientes de partículas neutras (átomos) con alta energía están bastante desarrollados. Para ello, con la ayuda de dispositivos especiales, aceleradores, se transmite una energía muy alta a las partículas cargadas. Luego, esta corriente de partículas cargadas se neutraliza mediante métodos especiales. El resultado es una corriente de partículas neutras de alta energía.

El calentamiento del plasma a alta frecuencia se puede realizar mediante un campo electromagnético externo de alta frecuencia, cuya frecuencia coincide con una de las frecuencias naturales del plasma (condiciones de resonancia). Cuando se cumple esta condición, las partículas de plasma interactúan fuertemente con el campo electromagnético y la energía del campo se transfiere a energía de plasma (el plasma se calienta).

Aunque el programa Tokamak se considera el más prometedor para la fusión termonuclear, los físicos no dejan de investigar en otras áreas. Así, los recientes logros en el confinamiento de plasma en sistemas directos con espejos magnéticos dan lugar a esperanzas optimistas sobre la creación de un reactor termonuclear de potencia basado en tales sistemas.

Para estabilizar el plasma en una trampa utilizando los dispositivos descritos, se crean condiciones bajo las cuales el campo magnético aumenta desde el centro de la trampa hacia su periferia. El calentamiento por plasma se realiza mediante inyección de átomos neutros.

Tanto en los tokamaks como en las células espejo se necesita un campo magnético muy fuerte para contener el plasma. Sin embargo, existen direcciones para resolver el problema de la fusión termonuclear, cuya implementación elimina la necesidad de crear fuertes campos magnéticos. Se trata de la llamada síntesis láser y la síntesis mediante haces de electrones relativistas. La esencia de estas soluciones es que en un "objetivo" sólido que consiste en una mezcla congelada DT Desde todos los lados se dirige una potente radiación láser o haces de electrones relativistas. Como resultado, el objetivo debería calentarse mucho, ionizarse y debería producirse una reacción de fusión explosiva. Sin embargo, la implementación práctica de estas ideas presenta importantes dificultades, en particular debido a la falta de láseres con la potencia necesaria. Sin embargo, actualmente se están desarrollando intensamente proyectos de reactores de fusión basados en estas direcciones.

Varios proyectos pueden conducir a una solución al problema. Los científicos esperan que al final sea posible llevar a cabo reacciones de fusión termonuclear controladas y entonces la humanidad tendrá una fuente de energía para muchos millones de años.

Proyecto ITER

Ya desde el comienzo del diseño de los tokamaks de nueva generación, quedó claro lo complejos y caros que eran. Surgió la idea natural de la cooperación internacional. Así surgió el proyecto ITER (Reactor Internacional de Energía Termonuclear), en cuyo desarrollo participan la asociación Euratom, la URSS, Estados Unidos y Japón. El solenoide superconductor del ITER basado en nitrato de estaño debe enfriarse con helio líquido a una temperatura de 4 K o hidrógeno líquido a 20 K. Por desgracia, sueña con un solenoide "más cálido" hecho de cerámica superconductora que pueda funcionar a la temperatura del nitrógeno líquido ( 73 K) no se hizo realidad. Los cálculos mostraron que esto sólo empeorará el sistema, ya que, además del efecto de la superconductividad, también contribuirá la conductividad de su sustrato de cobre.

El solenoide del ITER almacena una enorme energía: 44 GJ, lo que equivale a una carga de unas 5 toneladas de TNT. En general, el sistema electromagnético de este reactor será dos órdenes de magnitud mayor en potencia y complejidad que las instalaciones operativas más grandes. En términos de potencia eléctrica, será equivalente a la central hidroeléctrica de Dnieper (alrededor de 3 GW) y su masa total será de aproximadamente 30 mil toneladas.

La durabilidad del reactor está determinada principalmente por la primera pared de la cámara toroidal, que se encuentra en las condiciones más estresantes. Además de las cargas térmicas, debe transmitir y absorber parcialmente un potente flujo de neutrones. Según los cálculos, una pared hecha con los aceros más adecuados no puede resistir más de 5 a 6 años. Por lo tanto, durante un período determinado de funcionamiento del ITER (30 años), será necesario reemplazar la pared entre 5 y 6 veces. Para ello, será necesario desmontar casi por completo el reactor mediante manipuladores remotos complejos y costosos; al fin y al cabo, sólo ellos podrán penetrar en la zona radiactiva.

Este es el precio incluso de un reactor termonuclear experimental: ¿qué necesitará uno industrial?

Investigación moderna sobre plasma y reacciones termonucleares.

El objetivo principal de la investigación sobre física del plasma y fusión termonuclear controlada que se lleva a cabo en el Instituto de Fusión Nuclear sigue siendo la participación activa en el desarrollo del diseño técnico del reactor termonuclear experimental internacional ITER.

Estos trabajos recibieron un nuevo impulso tras la firma el 19 de septiembre de 1996 por el Presidente del Gobierno de la Federación de Rusia V.S. Resolución de Chernomyrdin sobre la aprobación del programa científico y técnico federal "Reactor termonuclear internacional ITER y trabajos de investigación y desarrollo en su apoyo para 1996-1998". La Resolución confirmó las obligaciones del proyecto asumidas por Rusia y abordó cuestiones de su apoyo de recursos. Un grupo de empleados fue enviado a trabajar en los equipos centrales del proyecto ITER en EE.UU., Japón y Alemania. Como parte de la tarea "doméstica", el Instituto lleva a cabo trabajos experimentales y teóricos sobre el modelado de los elementos estructurales de la manta ITER, el desarrollo de la base científica y el soporte técnico para los sistemas de calentamiento de plasma y el mantenimiento de corriente no inductiva utilizando ondas de ciclotrón electrónico y neutro. inyección.

En 1996, se llevaron a cabo en el Instituto de Investigaciones Nucleares pruebas de banco de prototipos de girotrones cuasiestacionarios desarrollados en Rusia para los sistemas de preionización y calentamiento por plasma del ITER ECR. Se están realizando pruebas modelo de nuevos métodos de diagnóstico del plasma: sondeo del plasma con un haz de iones pesados (junto con el Instituto de Física y Tecnología de Jarkov) y reflectometría. Se están estudiando los problemas de garantizar la seguridad de los sistemas de energía termonuclear y las cuestiones relacionadas con el desarrollo de un marco regulatorio. Se realizó una serie de cálculos modelo de la respuesta mecánica de las estructuras de la manta del reactor a procesos dinámicos en el plasma, como interrupciones de corriente, desplazamientos del cordón de plasma, etc. En febrero de 1996 se celebró en Moscú una reunión temática sobre el apoyo al diagnóstico del ITER, en la que participaron representantes de todas las partes del proyecto.

Desde hace 30 años (desde 1973), se lleva a cabo activamente un trabajo conjunto en el marco de la cooperación ruso (soviética)-estadounidense sobre la fusión controlada con confinamiento magnético. Y en los tiempos difíciles que vivimos hoy para la ciencia rusa, todavía es posible mantener el nivel científico alcanzado en los últimos años y el alcance de la investigación conjunta, centrada principalmente en el apoyo físico y científico-ingeniero del proyecto ITER. En 1996, los especialistas del Instituto continuaron participando en experimentos de deuterio-tritio en el tokamak TFTR en el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton. Durante estos experimentos, junto con avances significativos en el estudio del mecanismo de autocalentamiento del plasma por partículas α formadas en una reacción termonuclear, surgió la idea de mejorar el confinamiento del plasma de alta temperatura en tokamaks creando una configuración magnética con el -Prácticamente se confirmó el llamado corte inverso en la zona central. Continuó junto con el departamento de física del plasma de la empresa " GeneralAtómico "Estudios complementarios sobre el mantenimiento no inductivo de la corriente en plasma utilizando ondas de microondas en el rango de resonancia del ciclotrón electrónico a una frecuencia de 110-140 MHz. Al mismo tiempo, se llevó a cabo un intercambio mutuo de equipos de diagnóstico únicos. Se realizó un experimento preparado para el procesamiento remoto en línea en el Instituto de Ciencias Nucleares de los resultados de las mediciones en el DIII-tokamak D en San Diego, para lo cual la estación de trabajo Alfa será trasladada a Moscú. Con la participación del Instituto de Fusión Nuclear, la creación de En DIII-D se está terminando un potente complejo de girotrón centrado en un modo de funcionamiento casi estacionario. En los tokamaks se está realizando intensamente un trabajo teórico y computacional conjunto sobre el estudio de los procesos de perturbación de la corriente (uno de los principales problemas físicos del ITER). hoy) y modelado de procesos de transporte con la participación de teóricos del Laboratorio de Princeton, la Universidad de Texas y " GeneralAtómico "Continúa la colaboración con el Laboratorio Nacional de Argonne en los problemas de la interacción plasma-pared y el desarrollo de materiales prometedores de baja activación para reactores termonucleares de potencia.

En el marco del programa ruso-alemán para el uso pacífico de la energía atómica se lleva a cabo una cooperación multifacética con el Instituto de Física del Plasma que lleva su nombre. Max Planck, Centro de Investigación Nuclear de Jülich, Universidades Técnicas de Stuttgart y Dresde. Los empleados del Instituto participaron en el desarrollo y ahora en el funcionamiento de los complejos de girotrones del estelarador Wendelstein W7-As y del tokamak ASDEX-U en el Instituto M. Planck. Se desarrolló conjuntamente un código numérico para procesar los resultados de las mediciones del espectro de energía de las partículas de intercambio de carga en relación con los tokamaks T-15 y ADEX-U. Continuaron los trabajos de análisis y sistematización de la experiencia operativa de los sistemas de ingeniería de los tokamaks TEXTOR y T-15. Para experimentos conjuntos en TEXTOR se está preparando un sistema de diagnóstico de plasma reflectométrico. En el marco de la colaboración a largo plazo con la Universidad Técnica de Dresde se ha acumulado información importante sobre la selección y análisis de materiales de baja activación prometedores para el diseño de futuros reactores termonucleares. La cooperación con la Universidad de Stuttgart se centra en el estudio de los problemas tecnológicos relacionados con el aumento de la fiabilidad de los girotrones de alta potencia (junto con el Instituto de Física Aplicada de la Academia de Ciencias de Rusia). Junto con la sucursal de Berlín del Instituto M. Planck, se está trabajando para mejorar la metodología de uso de la estación de diagnóstico WASA-2 para el análisis de superficies de materiales expuestos a plasma de alta temperatura. La estación fue desarrollada específicamente para el tokamak T-15.

La cooperación con Francia se desarrolla según dos líneas. Con el Departamento de Física del Plasma de la Escuela Politécnica se llevan a cabo investigaciones experimentales conjuntas sobre la física de fuentes de iones de alta corriente, en particular fuentes de iones de hidrógeno negativos, y sobre la propulsión de plasma para naves espaciales. Continúa el trabajo colaborativo con el centro de investigación De-Gramat para estudiar los procesos de compresión a alta velocidad de carcasas cilíndricas conductoras mediante campos magnéticos ultrafuertes. El Instituto ha desarrollado y está construyendo una instalación para producir campos magnéticos pulsados en el rango submegausiano (por contrato).

Se están celebrando consultas con especialistas del Centro Suizo de Investigación en Física del Plasma Suisse Ecole Poytechnique sobre el uso del método de calentamiento del plasma con ciclotrón electrónico. Se ha acordado un programa de cooperación a largo plazo sobre CTS con el Centro Nuclear de Frascati (Italia).

Se firmó un acuerdo general de intercambio científico mutuo con el Centro Nacional Japonés de Investigación del Plasma (Nagoya). Se han llevado a cabo una serie de estudios teóricos y computacionales conjuntos sobre los mecanismos de transferencia en el plasma tokamak y las cuestiones de confinamiento en los estelaradores (en relación con el gran heliotrón LHD que se está construyendo en Japón).

En el Instituto de Física del Plasma de la Academia de Ciencias de China (Hefei) se han iniciado experimentos a gran escala con el tokamak superconductor NT-7, creado a partir de nuestro tokamak T-7. El Instituto está preparando varios sistemas de diagnóstico para NT-7 por contrato.

Samsung invitó repetidamente a los especialistas del Instituto a asesorar sobre el diseño del gran tokamak superconductor START, que Corea del Sur planeaba construir en 1999. Esta es la instalación termonuclear más grande del mundo en este momento.

El Instituto es la organización líder de seis proyectos del Centro Científico y Técnico Internacional ISTC (ciclo de tritio de un reactor de fusión, aplicación tecnológica de implantación de iones, diagnóstico de plasma, sistema lidar para el control ambiental ambiental de la atmósfera, sistema de recuperación para calentamiento por inyección de plasma complejos en sistemas de fusión, fuentes de plasma de baja temperatura con fines tecnológicos).

Conclusión

La idea de crear un reactor de fusión surgió en los años 50. Luego se decidió abandonarlo, ya que los científicos no pudieron resolver muchos problemas técnicos. Pasaron varias décadas antes de que los científicos pudieran "forzar" el reactor a producir cualquier cantidad de energía termonuclear.

Mientras escribía mi trabajo de curso, planteé preguntas sobre la creación y los principales problemas de la fusión termonuclear y resultó que la creación de instalaciones para producir la fusión termonuclear es un problema, pero no el principal. Los principales problemas incluyen la retención de plasma en el reactor y la creación de condiciones óptimas: el producto de la concentración. n partículas para el tiempo t atrapándolos y creando temperaturas aproximadamente iguales a la temperatura en el centro del sol.

A pesar de todas las dificultades que supone crear una fusión termonuclear controlada, los científicos no se desesperan y buscan soluciones a los problemas, porque Si la reacción de fusión se lleva a cabo con éxito, se obtendrá una fuente colosal de energía, en muchos aspectos superior a cualquier central eléctrica creada.Las reservas de combustible para este tipo de centrales eléctricas son prácticamente inagotables: el deuterio y el tritio se extraen fácilmente del agua de mar. Un kilogramo de estos isótopos puede liberar tanta energía como 10 millones de kilogramos de combustible fósil.

El futuro no puede existir sin el desarrollo de la fusión termonuclear, la humanidad necesita electricidad y en las condiciones modernas no tendremos suficientes reservas de energía cuando la recibamos de centrales nucleares y de energía.

Literatura

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2. Svirsky M.S. Teoría electrónica de la materia: libro de texto. manual para estudiantes de fisica - estera. falso. ped. Instituto - M.: Educación, 1980. - 288 p., ill.

3. Tsitovich V.N. Propiedades eléctricas del plasma. M., "Conocimiento", 1973.

4. Tecnología juvenil // No. 2/1991

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El artículo analiza las razones por las que la fusión termonuclear controlada aún no ha encontrado aplicación industrial.

Cuando poderosas explosiones sacudieron la Tierra en los años cincuenta del siglo pasado bombas termonucleares, parecía que antes del uso pacífico energía de fusión nuclear Queda muy poco: una o dos décadas. Había motivos para tal optimismo: sólo pasaron 10 años desde el uso de la bomba atómica hasta la creación de un reactor que genera electricidad.

Pero la tarea de frenar fusión termonuclear resultó ser inusualmente difícil. Las décadas pasaron una tras otra y nunca se logró el acceso a reservas energéticas ilimitadas. Durante este tiempo, la humanidad, al quemar recursos fósiles, contaminó la atmósfera con emisiones y la sobrecalentó con gases de efecto invernadero. Los desastres de Chernobyl y Fukushima-1 desacreditaron la energía nuclear.

¿Qué nos impidió dominar un proceso de fusión termonuclear tan prometedor y seguro, que podría resolver para siempre el problema de proporcionar energía a la humanidad?

Inicialmente, estaba claro que para que se produjera la reacción, era necesario acercar los núcleos de hidrógeno con tanta fuerza que las fuerzas nucleares pudieran formar el núcleo de un nuevo elemento: el helio, liberando una cantidad significativa de energía. Pero los núcleos de hidrógeno se repelen entre sí mediante fuerzas eléctricas. Una evaluación de las temperaturas y presiones a las que comienza una reacción termonuclear controlada ha demostrado que ningún material puede soportar tales temperaturas.

Por las mismas razones, se rechazó el deuterio puro, un isótopo del hidrógeno. Después de gastar miles de millones de dólares y décadas de tiempo, los científicos finalmente pudieron encender una llama termonuclear durante muy poco tiempo. Queda por aprender cómo retener el plasma de fusión termonuclear durante el tiempo suficiente. Del modelado por ordenador fue necesario pasar a la construcción de un reactor real.

En esta etapa, quedó claro que los esfuerzos y fondos de un estado individual no serían suficientes para construir y operar instalaciones industriales experimentales y piloto. Como parte de la cooperación internacional, se decidió implementar un proyecto de reactor termonuclear experimental por un valor de más de 14 mil millones de dólares.

Pero en 1996, Estados Unidos suspendió su participación y, en consecuencia, la financiación del proyecto. Durante algún tiempo, la implementación se llevó a cabo con fondos de Canadá, Japón y Europa, pero nunca se llegó a la construcción del reactor.

El segundo proyecto, también internacional, se está ejecutando en Francia. El confinamiento prolongado del plasma se produce debido a una forma especial de campo magnético, en forma de botella. Las bases de este método las sentaron los físicos soviéticos. Primero Instalación tipo "Tokamak" debería producir más energía a la salida de la que se gasta en encender y confinar el plasma.

Se suponía que la instalación del reactor estaría terminada en 2012, pero aún no hay información sobre su funcionamiento exitoso. Quizás las crisis económicas de los últimos años hayan obligado a ajustar los planes de los científicos.

Dificultades para lograr una fusión controlada dio lugar a muchas especulaciones e informes falsos sobre el llamado Reacción de fusión termonuclear "fría". A pesar de que aún no se han encontrado capacidades físicas ni leyes, muchos investigadores afirman su existencia. Después de todo, hay mucho en juego: desde premios Nobel para científicos hasta el dominio geopolítico de un Estado que ha dominado esa tecnología y ha obtenido acceso a la abundancia energética.

Pero todos estos informes resultan ser exagerados o completamente falsos. Los científicos serios se muestran escépticos sobre la existencia de tal reacción.

Las posibilidades reales de dominar la fusión y poner en funcionamiento comercial los reactores termonucleares se están retrasando hasta mediados del siglo XXI. En ese momento, será posible seleccionar los materiales necesarios y determinar su funcionamiento seguro. Dado que dichos reactores funcionarán con plasma de muy baja densidad, seguridad de las centrales eléctricas de fusión será mucho mayor que el de las centrales nucleares.

Cualquier perturbación en la zona de reacción "extinguirá" inmediatamente la llama termonuclear. Pero no se deben descuidar las medidas de seguridad: la potencia unitaria de los reactores será tan alta que un accidente incluso en los circuitos de extracción de calor podría provocar víctimas y contaminación ambiental. Sólo queda una cosa por hacer: esperar entre 30 y 40 años y ver una era de abundancia energética. Si vivimos, claro.

MINISTERIO DE EDUCACIÓN Y CIENCIA DE LA FEDERACIÓN DE RUSIA

Agencia Federal para la Educación

Institución educativa estatal de educación profesional superior "Universidad Pedagógica Estatal de Blagoveshchensk"

Facultad de Física y Matemáticas

Departamento de Física General

Trabajo del curso

sobre el tema: Problemas de la fusión termonuclear.

disciplina: Física

Intérprete: V.S. kletchenko

Jefe: V.A. Evdokimova

Blagovéshchensk 2010

Introducción

Reacciones termonucleares y sus beneficios energéticos.

Condiciones para reacciones termonucleares.

Realización de reacciones termonucleares en condiciones terrestres.

Los principales problemas asociados con la implementación de reacciones termonucleares.

Implementación de reacciones termonucleares controladas en instalaciones tipo TOKAMAK.

Proyecto ITER

Investigación moderna sobre plasma y reacciones termonucleares.

Conclusión

Literatura

Introducción

Objeto del trabajo: estudiar las propiedades y problemas de la fusión termonuclear.

Reacciones termonucleares y sus beneficios energéticos.

Una reacción termonuclear es la síntesis de núcleos atómicos más pesados a partir de otros más ligeros para obtener energía, la cual está controlada.

Se sabe que el núcleo de un átomo de hidrógeno es un protón p. Hay mucho de ese hidrógeno en la naturaleza, en el aire y en el agua. Además, existen isótopos de hidrógeno más pesados. El núcleo de uno de ellos contiene, además del protón p, también un neutrón n. Este isótopo se llama deuterio D. El núcleo de otro isótopo contiene, además del protón p, dos neutrones n y se llama tritio (tritio) T. Las reacciones termonucleares ocurren con mayor eficacia a temperaturas ultraaltas del orden de 10 7 - 10 9 K. Las reacciones termonucleares liberan energía muy alta, superando la energía liberada durante la fisión de núcleos pesados. La reacción de fusión libera energía, que por 1 kg de sustancia es significativamente mayor que la energía liberada en la reacción de fisión del uranio. (Aquí se entiende por energía liberada la energía cinética de las partículas formadas como resultado de la reacción). Por ejemplo, durante la reacción de fusión de núcleos de deuterio 1 2 D y tritio 1 3 T en un núcleo de helio 2 4 He:

1 2 D + 1 3 T → 2 4 Él + 0 1 norte,

La energía liberada es de aproximadamente 3,5 MeV por nucleón. En las reacciones de fisión, la energía por nucleón es de aproximadamente 1 MeV.

Al sintetizar un núcleo de helio a partir de cuatro protones:

4 1 1 p→ 2 4 No + 2 +1 1 e,

Condiciones para reacciones termonucleares.

Para la fusión de núcleos ligeros es necesario superar la barrera de potencial causada por la repulsión de Coulomb de los protones en núcleos con carga positiva similar. Para fusionar núcleos de hidrógeno 1 2 D es necesario acercarlos a una distancia r igual a aproximadamente r ≈ 3 10 -15 m. Para ello se debe realizar un trabajo igual a la energía potencial electrostática de repulsión P = e 2: ( 4πε 0 r) ≈ 0,1 MeV. Los núcleos de Deuteron podrán superar dicha barrera si, en caso de colisión, su energía cinética media 3/2 kT es igual a 0,1 MeV. Esto es posible en T = 2 · 10 9 K. En la práctica, la temperatura requerida para que ocurran reacciones termonucleares disminuye en dos órdenes de magnitud y asciende a 10 7 K.

Las temperaturas del orden de 10 7 K son típicas de la parte central del Sol. El análisis espectral ha demostrado que la materia del Sol, como muchas otras estrellas, contiene hasta un 80% de hidrógeno y aproximadamente un 20% de helio. El carbono, el nitrógeno y el oxígeno no constituyen más del 1% de la masa de las estrellas. Dada la enorme masa del Sol (≈ 2 · 10 · 27 kg), la cantidad de estos gases es bastante grande.

Las reacciones termonucleares ocurren en el Sol y las estrellas y son una fuente de energía que proporciona su radiación. Cada segundo el Sol emite 3,8 · 10 26 J de energía, lo que corresponde a una disminución de su masa de 4,3 millones de toneladas. Liberación específica de energía solar, es decir La liberación de energía por unidad de masa del Sol en un segundo es igual a 1,9 10 -4 J/s kg. Es muy pequeño y representa alrededor del 10-3% de la energía específica liberada en un organismo vivo durante el proceso metabólico. La potencia de radiación del Sol se ha mantenido prácticamente sin cambios a lo largo de los miles de millones de años de existencia del Sistema Solar.

Una de las formas en que ocurren las reacciones termonucleares en el Sol es el ciclo carbono-nitrógeno, en el que la combinación de núcleos de hidrógeno en un núcleo de helio se facilita en presencia de núcleos de carbono 6 12 C que desempeñan el papel de catalizadores. Al comienzo del ciclo, un protón rápido penetra en el núcleo del átomo de carbono 6 12 C y forma un núcleo inestable del isótopo de nitrógeno 7 13 N con radiación cuántica γ:

6 12 C + 1 1 p→ 7 13 N + γ.

Con una vida media de 14 minutos, la transformación 1 1 p→ 0 1 n + +1 0 e + 0 0 ν e ocurre en el núcleo de 7 13 N y se forma el núcleo del isótopo 6 13 C:

7 13 N→ 6 13 C + +1 0 mi + 0 0 ν mi.

aproximadamente cada 32 millones de años, el núcleo de 7 14 N captura un protón y se convierte en el núcleo de oxígeno de 8 15 O:

7 14 N+ 1 1 p→ 8 15 O + γ.

Un núcleo inestable 8 15 O con una vida media de 3 minutos emite un positrón y un neutrino y se convierte en un núcleo 7 15 N:

8 15 O→ 7 15 N+ +1 0 mi+ 0 0 ν mi.

El ciclo termina con la reacción de absorción de un protón por el núcleo de 7 15 N con su desintegración en un núcleo de carbono de 6 12 C y una partícula α. Esto sucede después de unos 100 mil años:

7 15 N+ 1 1 p→ 6 12 C + 2 4 He.

Un nuevo ciclo comienza de nuevo con la absorción de un protón de 6 12 C por el carbono, que emana en promedio después de 13 millones de años. Las reacciones individuales del ciclo están separadas en el tiempo por intervalos prohibitivamente grandes en escalas de tiempo terrestres. Sin embargo, el ciclo está cerrado y se produce de forma continua. Por lo tanto, varias reacciones del ciclo ocurren en el Sol simultáneamente, comenzando en diferentes momentos.

Realización de reacciones termonucleares en condiciones terrestres.

En una bomba de hidrógeno se lograron condiciones cercanas a las que se dan en las profundidades del Sol. Allí se produce una reacción termonuclear autosostenida de naturaleza explosiva. El explosivo es una mezcla de deuterio 1 2 D con tritio 1 3 T. La alta temperatura necesaria para que se produzca la reacción se obtiene mediante la explosión de una bomba atómica convencional colocada dentro de una bomba termonuclear.

Los principales problemas asociados con la implementación de reacciones termonucleares.

En un reactor termonuclear, la reacción de fusión debe ocurrir lentamente y debe ser posible controlarla. El estudio de las reacciones que ocurren en el plasma de deuterio a alta temperatura es la base teórica para la obtención de reacciones termonucleares controladas artificialmente. La principal dificultad es mantener las condiciones necesarias para obtener una reacción termonuclear autosostenida. Para tal reacción, es necesario que la tasa de liberación de energía en el sistema donde ocurre la reacción no sea menor que la tasa de eliminación de energía del sistema. A temperaturas del orden de 10 8 K, las reacciones termonucleares en el plasma de deuterio tienen una intensidad notable y van acompañadas de la liberación de alta energía. En una unidad de volumen de plasma, cuando los núcleos de deuterio se combinan, se libera una potencia de 3 kW/m 3. A temperaturas del orden de 10 6 K, la potencia es sólo de 10 -17 W/m 3.