rumah » Komputer » Sistem untuk mempelajari masalah fusi termonuklir terkendali. Masalah kontrol fusi termonuklir (TF)

Sistem untuk mempelajari masalah fusi termonuklir terkendali. Masalah kontrol fusi termonuklir (TF)

1. Perkenalan

2. Reaksi termonuklir di Matahari

3. Masalah pengendalian fusi termonuklir

3.1 Masalah ekonomi

3.2 Masalah medis

4. Kesimpulan

5. Referensi

1. Perkenalan

Masalah fusi termonuklir terkendali adalah salah satu tugas terpenting yang dihadapi umat manusia.

Peradaban manusia tidak akan ada, apalagi berkembang, tanpa energi. Semua orang memahami betul bahwa sumber energi yang dikembangkan, sayangnya, akan segera habis. Menurut Dewan Energi Dunia, cadangan bahan bakar hidrokarbon yang terbukti di Bumi masih tersisa 30 tahun lagi.

Saat ini sumber energi utama adalah minyak bumi, gas dan batu bara.

Menurut para ahli, cadangan mineral tersebut semakin menipis. Hampir tidak ada lagi ladang minyak yang dapat dieksplorasi dan dieksploitasi, dan anak cucu kita mungkin sudah menghadapi masalah kekurangan energi yang sangat serius.

Pembangkit listrik tenaga nuklir yang paling kaya bahan bakar, tentu saja, dapat memasok listrik bagi umat manusia selama ratusan tahun.

Objek studi: Masalah fusi termonuklir terkendali.

Subyek studi: Fusi termonuklir.

Tujuan penelitian: Memecahkan masalah pengendalian fusi termonuklir;

Tujuan penelitian:

· Pelajari jenis-jenis reaksi termonuklir.

· Pertimbangkan semua opsi yang memungkinkan untuk menyalurkan energi yang dilepaskan selama reaksi termonuklir ke seseorang.

· Mengusulkan teori tentang konversi energi menjadi listrik.

Fakta asli:

Energi nuklir dilepaskan selama peluruhan atau fusi inti atom. Energi apa pun - fisik, kimia, atau nuklir - dimanifestasikan oleh kemampuannya untuk melakukan kerja, memancarkan panas, atau radiasi. Energi dalam sistem apa pun selalu kekal, namun dapat ditransfer ke sistem lain atau diubah bentuknya.

Pencapaian kondisi fusi termonuklir terkendali terhambat oleh beberapa masalah utama:

· Pertama, Anda perlu memanaskan gas hingga suhu yang sangat tinggi.

· Kedua, perlu untuk mengontrol jumlah inti yang bereaksi dalam waktu yang cukup lama.

· Ketiga, jumlah energi yang dilepaskan harus lebih besar dari energi yang dikeluarkan untuk panas dan membatasi kepadatan gas.

· Masalah selanjutnya adalah akumulasi energi ini dan konversinya menjadi listrik

2. Reaksi termonuklir di Matahari

Apa sumber energi matahari? Apa sifat proses yang menghasilkan energi dalam jumlah besar? Berapa lama matahari akan terus bersinar?

Upaya pertama untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan ini dilakukan oleh para astronom pada pertengahan abad ke-19, setelah fisikawan merumuskan hukum kekekalan energi.

Robert Mayer berpendapat bahwa Matahari bersinar karena pemboman terus-menerus terhadap permukaan oleh meteorit dan partikel meteor. Hipotesis ini ditolak, karena perhitungan sederhana menunjukkan bahwa untuk mempertahankan luminositas Matahari pada tingkat saat ini, diperlukan 2∙1015 kg materi meteorik yang jatuh ke atasnya setiap detik. Dalam setahun jumlahnya akan menjadi 6∙1022 kg, dan selama keberadaan Matahari, dalam 5 miliar tahun - 3∙1032 kg Massa Matahari M = 2∙1030 kg, oleh karena itu, selama lima miliar tahun, zat 150 kali lebih banyak dari massa Matahari yang seharusnya jatuh ke Matahari.

Hipotesis kedua diungkapkan oleh Helmholtz dan Kelvin juga pada pertengahan abad ke-19. Mereka berpendapat bahwa Matahari memancar akibat kompresi sebesar 60–70 meter setiap tahunnya.Alasan kompresi tersebut adalah gaya tarik menarik partikel-partikel Matahari, itulah sebabnya hipotesis ini disebut /> kontraktil. Jika kita menghitung berdasarkan hipotesis ini, maka umur Matahari tidak akan lebih dari 20 juta tahun, yang bertentangan dengan data modern yang diperoleh dari analisis peluruhan radioaktif unsur-unsur dalam sampel geologi tanah bumi dan tanah. bulan.

Hipotesis ketiga tentang kemungkinan sumber energi matahari diungkapkan oleh James Jeans pada awal abad kedua puluh. Ia mengemukakan bahwa kedalaman Matahari mengandung unsur radioaktif berat yang secara spontan meluruh dan mengeluarkan energi, misalnya transformasi uranium menjadi thorium dan kemudian menjadi timbal disertai dengan pelepasan energi. Analisis selanjutnya terhadap hipotesis ini juga menunjukkan ketidakkonsistenannya; sebuah bintang yang hanya terdiri dari uranium tidak akan melepaskan energi yang cukup untuk menghasilkan luminositas Matahari yang dapat diamati. Selain itu, ada bintang yang luminositasnya berkali-kali lipat lebih besar daripada luminositas bintang kita. Kecil kemungkinan bintang-bintang tersebut juga memiliki cadangan bahan radioaktif yang lebih besar.

Hipotesis yang paling mungkin ternyata adalah hipotesis sintesis unsur-unsur akibat reaksi nuklir di perut bintang.

Pada tahun 1935, Hans Bethe berhipotesis bahwa sumber energi matahari bisa jadi adalah reaksi termonuklir yang mengubah hidrogen menjadi helium. Untuk itulah Bethe menerima Hadiah Nobel pada tahun 1967.

Komposisi kimiawi Matahari hampir sama dengan kebanyakan bintang lainnya. Sekitar 75% adalah hidrogen, 25% adalah helium dan kurang dari 1% adalah unsur kimia lainnya (terutama karbon, oksigen, nitrogen, dll.). Segera setelah kelahiran Alam Semesta, tidak ada unsur “berat” sama sekali. Semuanya, mis. unsur-unsur yang lebih berat dari helium, dan bahkan banyak partikel alfa, terbentuk selama “pembakaran” hidrogen di bintang-bintang melalui fusi termonuklir. Karakteristik umur bintang seperti Matahari adalah sepuluh miliar tahun.

Sumber energi utama adalah siklus proton-proton - reaksi yang sangat lambat (waktu karakteristik 7,9∙109 tahun), karena disebabkan oleh interaksi yang lemah. Esensinya adalah empat proton menghasilkan inti helium. Dalam hal ini, sepasang positron dan sepasang neutrino dilepaskan, serta energi 26,7 MeV. Jumlah neutrino yang dipancarkan Matahari per detik hanya ditentukan oleh luminositas Matahari. Karena 2 neutrino lahir ketika 26,7 MeV dilepaskan, laju emisi neutrino adalah: 1,8∙1038 neutrino/s. Uji langsung teori ini adalah pengamatan neutrino matahari. Neutrino berenergi tinggi (boron) terdeteksi dalam eksperimen klorin-argon (eksperimen Davis) dan secara konsisten menunjukkan kekurangan neutrino dibandingkan dengan nilai teoretis untuk model standar Matahari. Neutrino berenergi rendah yang timbul langsung dalam reaksi pp dicatat dalam percobaan galium-germanium (GALLEX di Gran Sasso (Italia - Jerman) dan SAGE di Baksan (Rusia - AS)); mereka juga “hilang”.

Menurut beberapa asumsi, jika neutrino memiliki massa diam yang berbeda dari nol, osilasi (transformasi) berbagai jenis neutrino mungkin terjadi (efek Mikheev–Smirnov–Wolfenstein) (ada tiga jenis neutrino: elektron, muon, dan tauon neutrino) . Karena neutrino lain memiliki penampang interaksi dengan materi yang jauh lebih kecil daripada elektron; defisit yang diamati dapat dijelaskan tanpa mengubah model standar Matahari, yang dibangun berdasarkan seluruh kumpulan data astronomi.

Setiap detiknya, Matahari memproses sekitar 600 juta ton hidrogen. Pasokan bahan bakar nuklir akan bertahan selama lima miliar tahun lagi, setelah itu secara bertahap akan berubah menjadi katai putih.

Bagian tengah Matahari akan berkontraksi, memanas, dan panas yang dipindahkan ke kulit terluar akan menyebabkan perluasannya ke ukuran yang lebih mengerikan dibandingkan dengan yang modern: Matahari akan mengembang sedemikian rupa sehingga menyerap Merkurius, Venus, dan memakan “ bahan bakar” seratus kali lebih cepat dibandingkan saat ini. Hal ini akan menyebabkan peningkatan ukuran Matahari; bintang kita akan menjadi raksasa merah yang ukurannya sebanding dengan jarak Bumi ke Matahari!

Tentu saja kita akan mengetahui kejadian seperti itu sebelumnya, karena transisi ke tahap baru akan memakan waktu sekitar 100–200 juta tahun. Ketika suhu bagian tengah Matahari mencapai 100.000.000 K, helium akan mulai terbakar, berubah menjadi unsur-unsur berat, dan Matahari akan memasuki tahap siklus kompresi dan ekspansi yang kompleks. Pada tahap terakhir, bintang kita akan kehilangan kulit terluarnya, inti pusatnya akan memiliki kepadatan dan ukuran yang sangat tinggi, seperti Bumi. Beberapa miliar tahun lagi akan berlalu, dan Matahari akan mendingin, berubah menjadi katai putih.

3. Masalah fusi termonuklir terkendali

Para peneliti dari semua negara maju menggantungkan harapan mereka untuk mengatasi krisis energi yang akan datang pada reaksi termonuklir yang terkendali. Reaksi seperti itu - sintesis helium dari deuterium dan tritium - telah terjadi di Matahari selama jutaan tahun, dan dalam kondisi terestrial mereka telah mencoba melakukannya selama lima puluh tahun dalam instalasi laser raksasa dan sangat mahal, tokamaks. (alat untuk melakukan reaksi fusi termonuklir dalam plasma panas) dan stellarator (perangkap magnet tertutup untuk menahan plasma bersuhu tinggi). Namun, ada cara lain untuk memecahkan masalah sulit ini, dan alih-alih menggunakan tokamak besar untuk melakukan fusi termonuklir, kemungkinan besar akan dimungkinkan untuk menggunakan penumbuk yang cukup kompak dan murah - akselerator pada balok yang bertabrakan.

Tokamak membutuhkan litium dan deuterium dalam jumlah yang sangat kecil untuk beroperasi. Misalnya, sebuah reaktor dengan daya listrik 1 GW membakar sekitar 100 kg deuterium dan 300 kg litium per tahun. Jika kita berasumsi bahwa semua pembangkit listrik termonuklir akan menghasilkan 10 triliun kWh listrik per tahun, yaitu jumlah yang sama dengan yang dihasilkan semua pembangkit listrik di Bumi saat ini, maka cadangan deuterium dan litium dunia akan cukup untuk memasok energi bagi umat manusia. selama jutaan tahun.

Selain fusi deuterium atau litium, fusi termonuklir matahari murni juga dimungkinkan ketika dua atom deuterium bergabung. Jika reaksi ini dikuasai, permasalahan energi akan teratasi dengan segera dan selamanya.

Dalam salah satu varian fusi termonuklir terkendali (CTF) yang diketahui, reaksi termonuklir tidak dapat memasuki mode peningkatan daya yang tidak terkendali, oleh karena itu, reaktor tersebut pada dasarnya tidak aman.

Dari segi fisik, masalahnya dirumuskan secara sederhana. Untuk melaksanakan reaksi fusi nuklir yang berkelanjutan, dua kondisi perlu dan cukup dipenuhi.

1. Energi inti yang terlibat dalam reaksi minimal harus 10 keV. Agar fusi nuklir dapat terjadi, inti-inti yang berpartisipasi dalam reaksi harus jatuh ke dalam medan gaya nuklir, yang jari-jarinya adalah 10-12-10-13 cm. Namun, inti atom mempunyai muatan listrik positif, dan muatan sejenis akan saling tolak menolak. Pada ambang aksi gaya nuklir, energi tolakan Coulomb berada pada urutan 10 keV. Untuk mengatasi penghalang ini, inti pada tumbukan harus memiliki energi kinetik setidaknya tidak kurang dari nilai ini.

2. Hasil kali konsentrasi inti-inti yang bereaksi dan waktu retensi selama inti-inti tersebut mempertahankan energi yang ditentukan harus paling sedikit 1014 s.cm-3. Kondisi ini - yang disebut kriteria Lawson - menentukan batas manfaat energik dari suatu reaksi. Agar energi yang dilepaskan dalam reaksi fusi setidaknya menutupi biaya energi untuk memulai reaksi, inti atom harus mengalami banyak tumbukan. Pada setiap tumbukan yang terjadi reaksi fusi antara deuterium (D) dan tritium (T), energi sebesar 17,6 MeV dilepaskan, yaitu sekitar 3,10-12 J. Jika, misalnya, energi 10 MJ dihabiskan untuk penyalaan, maka reaksinya adalah akan merugikan jika minimal 3.1018 pasangan D-T ikut serta. Dan untuk ini, plasma berenergi tinggi yang cukup padat perlu disimpan dalam reaktor dalam waktu yang cukup lama. Kondisi ini dinyatakan dengan kriteria Lawson.

Jika kedua persyaratan dapat dipenuhi secara bersamaan, masalah fusi termonuklir terkendali akan terpecahkan.

Namun teknis pelaksanaan permasalahan fisik ini menghadapi kesulitan yang sangat besar. Bagaimanapun, energi 10 keV sama dengan suhu 100 juta derajat. Suatu zat dapat disimpan pada suhu seperti itu bahkan untuk sepersekian detik hanya dalam ruang hampa, mengisolasinya dari dinding instalasi.

Tapi ada metode lain untuk memecahkan masalah ini - fusi termonuklir dingin. Reaksi termonuklir dingin merupakan analog dari reaksi termonuklir “panas” yang terjadi pada suhu kamar.

Di alam, setidaknya ada dua cara mengubah materi dalam satu dimensi kontinum. Anda bisa merebus air di atas api, mis. secara termal, atau dalam oven microwave, mis. frekuensi Hasilnya sama - air mendidih, yang membedakan hanya metode frekuensi lebih cepat. Pencapaian suhu sangat tinggi juga digunakan untuk membelah inti atom. Metode termal menghasilkan reaksi nuklir yang tidak terkendali.Energi fusi termonuklir dingin adalah energi keadaan transisi. Salah satu syarat utama perancangan reaktor untuk melakukan reaksi termonuklir dingin adalah kondisi bentuk piramidal - kristal. Kondisi penting lainnya adalah adanya medan magnet dan torsi yang berputar. Perpotongan medan terjadi pada titik kesetimbangan inti hidrogen yang tidak stabil.

Ilmuwan Ruzi Taleyarkhan dari Laboratorium Nasional Oak Ridge, Richard Lahey dari Universitas Politeknik. Rensilira dan akademisi Robert Nigmatulin mencatat reaksi termonuklir dingin di laboratorium.

Kelompok tersebut menggunakan gelas kimia berisi aseton cair berukuran dua hingga tiga gelas. Gelombang suara ditransmisikan secara intens melalui cairan, menghasilkan efek yang dalam fisika dikenal sebagai kavitasi akustik, yang konsekuensinya adalah sonoluminescence. Selama kavitasi, gelembung-gelembung kecil muncul di dalam cairan, yang diameternya membesar hingga dua milimeter dan meledak. Ledakan tersebut disertai dengan kilatan cahaya dan pelepasan energi yaitu. suhu di dalam gelembung pada saat ledakan mencapai 10 juta derajat Kelvin, dan energi yang dilepaskan, menurut para peneliti, cukup untuk melakukan fusi termonuklir.

Esensi “teknis” dari reaksi ini adalah sebagai hasil penggabungan dua atom deuterium, terbentuk sepertiga - isotop hidrogen, yang dikenal sebagai tritium, dan neutron, yang dicirikan oleh jumlah energi yang sangat besar.

3.1 Masalah ekonomi

Saat membuat CTS, diasumsikan bahwa itu akan menjadi instalasi besar yang dilengkapi dengan komputer yang kuat. Ini akan menjadi kota kecil. Namun jika terjadi kecelakaan atau kerusakan peralatan, pengoperasian stasiun akan terganggu.

Hal ini tidak diatur, misalnya, dalam desain pembangkit listrik tenaga nuklir modern. Diyakini bahwa yang utama adalah membangunnya, dan apa yang terjadi selanjutnya tidaklah penting.

Namun jika 1 stasiun mati, banyak kota yang akan kehilangan listrik. Hal ini misalnya terlihat pada pembangkit listrik tenaga nuklir di Armenia. Menghapus limbah radioaktif menjadi sangat mahal. Karena tuntutan ramah lingkungan, pembangkit listrik tenaga nuklir ditutup. Penduduk dibiarkan tanpa listrik, peralatan pembangkit listrik menjadi usang, dan uang yang dialokasikan oleh organisasi internasional untuk restorasi terbuang percuma.

Masalah ekonomi yang serius adalah dekontaminasi fasilitas produksi yang ditinggalkan dimana uranium diproses. Misalnya, “kota Aktau memiliki Chernobyl kecilnya sendiri." Terletak di wilayah pabrik kimia-hidrometalurgi (KhMZ). Radiasi latar belakang gamma di pabrik pengolahan uranium (HMC) di beberapa tempat mencapai 11.000 mikro-roentgen. per jam, tingkat latar belakang rata-rata adalah 200 mikro-roentgen (Latar belakang alami biasa dari 10 hingga 25 mikroroentgen per jam). Setelah pabrik dihentikan, tidak ada dekontaminasi yang dilakukan di sini sama sekali. Sebagian besar peralatan, sekitar lima belas ribu ton, sudah memiliki radioaktivitas yang tidak dapat dihilangkan.Pada saat yang sama, barang-barang berbahaya tersebut disimpan di udara terbuka, dijaga dengan buruk dan terus-menerus dibawa jauh dari wilayah KhGMZ.

Oleh karena itu, karena tidak adanya fasilitas produksi permanen, akibat munculnya teknologi baru, TTS dapat ditutup, kemudian benda dan logam dari perusahaan tersebut akan masuk ke pasar dan penduduk setempat akan menderita.

Sistem pendingin UTS akan menggunakan air. Namun menurut para pemerhati lingkungan, jika kita mengambil statistik dari pembangkit listrik tenaga nuklir, air dari waduk tersebut tidak layak untuk diminum.

Menurut para ahli, reservoir tersebut penuh dengan logam berat (khususnya thorium-232), dan di beberapa tempat tingkat radiasi gamma mencapai 50 - 60 mikroroentgen per jam.

Artinya, saat ini, selama pembangunan pembangkit listrik tenaga nuklir, tidak ada sarana yang bisa mengembalikan kawasan tersebut seperti semula. Dan setelah perusahaan ditutup, tidak ada yang tahu bagaimana cara mengubur tumpukan sampah dan membersihkan bekas perusahaan.

3.2 Masalah medis

Dampak berbahaya dari UTS antara lain produksi mutan virus dan bakteri yang menghasilkan zat berbahaya. Hal ini terutama berlaku untuk virus dan bakteri yang ditemukan di tubuh manusia. Munculnya tumor ganas dan kanker kemungkinan besar merupakan penyakit yang umum terjadi pada warga desa yang tinggal di sekitar UTS. Warga selalu lebih menderita karena tidak memiliki alat perlindungan apa pun. Harga dosimeter mahal dan obat-obatan tidak tersedia. Limbah dari sistem pemanas akan dibuang ke sungai, dibuang ke udara atau dipompa ke lapisan bawah tanah, seperti yang terjadi sekarang di pembangkit listrik tenaga nuklir.

Selain kerusakan yang muncul segera setelah paparan dosis tinggi, radiasi pengion juga menimbulkan konsekuensi jangka panjang. Terutama karsinogenesis dan kelainan genetik yang dapat terjadi pada dosis dan jenis radiasi apa pun (satu kali, kronis, lokal).

Menurut laporan dokter yang mencatat penyakit para pekerja pembangkit listrik tenaga nuklir, penyakit kardiovaskular (serangan jantung) menempati urutan pertama, baru kemudian kanker. Otot jantung akibat pengaruh radiasi menjadi lebih tipis, menjadi lembek dan kurang kuat. Ada penyakit yang sama sekali tidak bisa dipahami. Misalnya saja gagal hati. Namun mengapa hal ini terjadi, masih belum ada dokter yang mengetahuinya. Jika zat radioaktif masuk ke saluran pernafasan saat terjadi kecelakaan, dokter memotong jaringan paru-paru dan trakea yang rusak dan orang cacat berjalan dengan alat pernafasan portabel.

4. Kesimpulan

Umat manusia membutuhkan energi, dan kebutuhannya meningkat setiap tahun. Pada saat yang sama, cadangan bahan bakar alam tradisional (minyak, batu bara, gas, dll.) terbatas. Ada juga cadangan bahan bakar nuklir yang terbatas - uranium dan thorium, yang darinya plutonium dapat diperoleh melalui reaktor pemulia. Cadangan bahan bakar termonuklir – hidrogen – praktis tidak ada habisnya.

Pada tahun 1991, untuk pertama kalinya, sejumlah besar energi diperoleh - sekitar 1,7 juta watt sebagai hasil dari fusi nuklir terkendali di Laboratorium Gabungan Eropa (Torus). Pada bulan Desember 1993, para peneliti di Universitas Princeton menggunakan reaktor fusi tokamak untuk menghasilkan reaksi nuklir terkendali yang menghasilkan energi 5,6 juta watt. Namun, baik reaktor Tokamak maupun laboratorium Torus menghabiskan lebih banyak energi daripada yang diterima.

Jika produksi energi fusi nuklir dapat diakses secara praktis, hal ini akan menyediakan sumber bahan bakar yang tidak terbatas

5. Referensi

1) Majalah “Tampilan Baru” (Fisika; Untuk elit masa depan).

2) Buku Ajar Fisika kelas 11.

3) Akademi Energi (analitik; ide; proyek).

4) Manusia dan Atom (William Lawrence).

5) Unsur alam semesta (Seaborg dan Valensi).

6) Kamus Ensiklopedis Soviet.

7) Ensiklopedia Encarta 96.

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

3. Masalah fusi termonuklir terkendali

Para peneliti dari semua negara maju menggantungkan harapan mereka untuk mengatasi krisis energi yang akan datang pada reaksi termonuklir yang terkendali. Reaksi seperti itu - sintesis helium dari deuterium dan tritium - telah terjadi di Matahari selama jutaan tahun, dan dalam kondisi terestrial mereka telah mencoba melakukannya selama lima puluh tahun dalam instalasi laser raksasa dan sangat mahal, tokamaks. (alat untuk melakukan reaksi fusi termonuklir dalam plasma panas) dan stellarator (perangkap magnet tertutup untuk mengurung plasma suhu tinggi). Namun, ada cara lain untuk mengatasi masalah sulit ini, dan alih-alih menggunakan tokamak yang besar, kemungkinan besar akan dimungkinkan untuk menggunakan penumbuk yang cukup kompak dan murah - akselerator berkas bertabrakan - untuk melakukan fusi termonuklir.

Tokamak membutuhkan litium dan deuterium dalam jumlah yang sangat kecil untuk beroperasi. Misalnya, sebuah reaktor dengan daya listrik 1 GW membakar sekitar 100 kg deuterium dan 300 kg litium per tahun. Jika kita asumsikan semua pembangkit listrik fusi akan menghasilkan 10 triliun. kWh listrik per tahun, yaitu jumlah yang sama dengan yang dihasilkan semua pembangkit listrik di bumi saat ini, maka cadangan deuterium dan litium dunia akan cukup untuk memasok energi bagi umat manusia selama jutaan tahun.

Selain fusi deuterium dan litium, fusi matahari murni juga dimungkinkan jika dua atom deuterium bergabung. Jika reaksi ini dikuasai, permasalahan energi akan teratasi dengan segera dan selamanya.

Dari segi fisik, masalahnya dirumuskan secara sederhana. Untuk melaksanakan reaksi fusi nuklir yang berkelanjutan, dua kondisi perlu dan cukup dipenuhi.

1. Energi inti yang terlibat dalam reaksi minimal harus 10 keV. Agar fusi nuklir dapat terjadi, inti-inti yang berpartisipasi dalam reaksi harus jatuh ke dalam medan gaya nuklir, yang jari-jarinya adalah 10-12-10-13 cm. Namun, inti atom mempunyai muatan listrik positif, dan muatan sejenis akan tolak-menolak. Pada batas aksi gaya nuklir, energi tolakan Coulomb berada pada kisaran 10 keV. Untuk mengatasi penghalang ini, inti pada tumbukan harus memiliki energi kinetik setidaknya tidak kurang dari nilai ini.

2. Hasil kali konsentrasi inti-inti yang bereaksi dan waktu retensi selama inti-inti tersebut mempertahankan energi yang ditentukan harus paling sedikit 1014 s.cm-3. Kondisi ini - yang disebut kriteria Lawson - menentukan batas manfaat energik dari suatu reaksi. Agar energi yang dilepaskan dalam reaksi fusi setidaknya menutupi biaya energi untuk memulai reaksi, inti atom harus mengalami banyak tumbukan. Dalam setiap tumbukan yang terjadi reaksi fusi antara deuterium (D) dan tritium (T), energi sebesar 17,6 MeV dilepaskan, yaitu sekitar 3,10-12 J. Jika, misalnya, energi 10 MJ dihabiskan untuk penyalaan, maka energi reaksi tidak akan menguntungkan jika sedikitnya 3,1018 pasangan D-T ambil bagian di dalamnya. Dan untuk ini, plasma berenergi tinggi yang cukup padat perlu disimpan dalam reaktor dalam waktu yang cukup lama. Kondisi ini dinyatakan dengan kriteria Lawson.

Jika kedua persyaratan dapat dipenuhi secara bersamaan, masalah fusi termonuklir terkendali akan terpecahkan.

Namun teknis pelaksanaan permasalahan fisik ini menghadapi kesulitan yang sangat besar. Bagaimanapun, energi 10 keV sama dengan suhu 100 juta derajat. Suatu zat hanya dapat disimpan pada suhu ini selama sepersekian detik dalam ruang hampa, mengisolasinya dari dinding instalasi.

Tapi ada metode lain untuk memecahkan masalah ini - fusi dingin. Reaksi termonuklir dingin merupakan analog dari reaksi termonuklir “panas” yang terjadi pada suhu kamar.

Di alam, setidaknya ada dua cara mengubah materi dalam satu dimensi kontinum. Anda bisa merebus air di atas api, mis. secara termal, atau dalam oven microwave, mis. frekuensi. Hasilnya sama - air mendidih, yang membedakan hanyalah metode frekuensinya lebih cepat. Pencapaian suhu sangat tinggi juga digunakan untuk membelah inti atom. Metode termal menghasilkan reaksi nuklir yang tidak terkendali. Energi termonuklir dingin adalah energi keadaan transisi. Salah satu syarat utama perancangan reaktor untuk melakukan reaksi termonuklir dingin adalah kondisi bentuk kristal piramidalnya. Kondisi penting lainnya adalah adanya medan magnet dan torsi yang berputar. Perpotongan medan terjadi pada titik kesetimbangan inti hidrogen yang tidak stabil.

Ilmuwan Ruzi Taleyarkhan dari Oak Ridge National Laboratory, Richard Lahey dari Polytechnic University. Rensilira dan akademisi Robert Nigmatulin mencatat reaksi termonuklir dingin di laboratorium.

Kelompok tersebut menggunakan gelas kimia berisi aseton cair berukuran dua hingga tiga gelas. Gelombang suara ditransmisikan secara intens melalui cairan, menghasilkan efek yang dalam fisika dikenal sebagai kavitasi akustik, yang menghasilkan sonoluminesensi. Selama kavitasi, gelembung-gelembung kecil muncul di dalam cairan, yang diameternya membesar hingga dua milimeter dan meledak. Ledakan tersebut disertai dengan kilatan cahaya dan pelepasan energi yaitu. suhu di dalam gelembung pada saat ledakan mencapai 10 juta derajat Kelvin, dan energi yang dilepaskan, menurut para peneliti, cukup untuk melakukan fusi termonuklir.

“Secara teknis,” inti dari reaksi ini adalah sebagai hasil penggabungan dua atom deuterium, terbentuk sepertiga - isotop hidrogen, yang dikenal sebagai tritium, dan neutron, yang dicirikan oleh jumlah energi yang sangat besar.

Arus dalam keadaan superkonduktor adalah nol, dan oleh karena itu, sejumlah listrik minimum akan dikonsumsi untuk mempertahankan medan magnet. 8. Sistem ultra-cepat. Fusi termonuklir terkendali dengan pengurungan inersia Kesulitan yang terkait dengan pengurungan magnetik plasma, pada prinsipnya, dapat diatasi jika bahan bakar nuklir dibakar dalam waktu yang sangat singkat, ketika...

Untuk tahun 2004. Negosiasi berikutnya mengenai proyek ini akan berlangsung pada Mei 2004 di Wina. Reaktor tersebut akan mulai dibuat pada tahun 2006 dan rencananya akan diluncurkan pada tahun 2014. Prinsip pengoperasian Fusi termonuklir* adalah cara menghasilkan energi yang murah dan ramah lingkungan. Fusi termonuklir yang tidak terkendali telah terjadi di Matahari selama miliaran tahun - helium terbentuk dari isotop hidrogen berat deuterium. Di mana...

Reaktor termonuklir eksperimental dipimpin oleh E.P. Velikhov. Amerika Serikat, setelah menghabiskan 15 miliar dolar, meninggalkan proyek ini, sisanya 15 miliar telah dihabiskan oleh organisasi ilmiah internasional. 2. Masalah teknis, lingkungan dan medis. Selama pengoperasian instalasi fusi termonuklir terkendali (CTF). berkas neutron dan radiasi gamma muncul, dan juga muncul...

Energi dan kualitas apa yang diperlukan agar energi yang dilepaskan cukup untuk menutupi biaya memulai proses pelepasan energi. Masalah ini akan kita bahas di bawah sehubungan dengan masalah fusi termonuklir. Tentang kualitas energi laser Dalam kasus yang paling sederhana, keterbatasan dalam mengubah energi berkualitas rendah menjadi energi berkualitas tinggi sudah jelas. Izinkan saya memberi Anda beberapa contoh dari...

KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN ILMU PENGETAHUAN FEDERASI RUSIA

Badan Federal untuk Pendidikan

Institusi Pendidikan Negeri Pendidikan Profesi Tinggi "Universitas Pedagogis Negeri Blagoveshchensk"

Fakultas Fisika dan Matematika

Departemen Fisika Umum

Pekerjaan kursus

pada topik: Masalah fusi termonuklir

disiplin: Fisika

Pelaku: V.S. Kletchenko

Ketua : V.A. Evdokimova

Blagoveshchensk 2010

Perkenalan

Proyek ITER

Kesimpulan

literatur

Perkenalan

Saat ini umat manusia tidak bisa membayangkan hidupnya tanpa listrik. Dia ada dimana-mana. Namun metode tradisional untuk menghasilkan listrik tidaklah murah: bayangkan saja pembangunan pembangkit listrik tenaga air atau reaktor pembangkit listrik tenaga nuklir, dan alasannya akan segera menjadi jelas. Para ilmuwan abad ke-20, dalam menghadapi krisis energi, menemukan cara untuk menghasilkan listrik dari suatu zat yang jumlahnya tidak terbatas. Reaksi termonuklir terjadi selama peluruhan deuterium dan tritium. Satu liter air mengandung begitu banyak deuterium sehingga fusi termonuklir dapat melepaskan energi sebanyak yang dihasilkan oleh pembakaran 350 liter bensin. Artinya, kita dapat menyimpulkan bahwa air merupakan sumber energi yang tidak terbatas.

Jika memperoleh energi melalui fusi termonuklir semudah menggunakan pembangkit listrik tenaga air, maka umat manusia tidak akan pernah mengalami krisis energi. Untuk memperoleh energi dengan cara ini, diperlukan suhu yang setara dengan suhu di pusat matahari. Di mana mendapatkan suhu ini, seberapa mahal biaya instalasinya, seberapa menguntungkan produksi energi tersebut dan apakah instalasi tersebut aman? Pertanyaan-pertanyaan ini akan dijawab dalam karya ini.

Tujuan pekerjaan: mempelajari sifat dan masalah fusi termonuklir.

Reaksi termonuklir dan manfaat energinya

Reaksi termonuklir -sintesis inti atom yang lebih berat dari inti atom yang lebih ringan untuk memperoleh energi yang terkendali.

Diketahui inti atom hidrogen adalah proton p. Ada banyak hidrogen di alam - di udara dan air. Selain itu, terdapat isotop hidrogen yang lebih berat. Inti salah satunya, selain proton p, juga mengandung neutron N . Isotop ini disebut deuterium D . Inti dari isotop lain, selain proton p, mengandung dua neutron N dan disebut tritium (tritium) T. Reaksi termonuklir paling efisien terjadi pada suhu sangat tinggi sekitar 10 7 – 10 9 K. Selama reaksi termonuklir, energi yang sangat besar dilepaskan, melebihi energi yang dilepaskan selama fisi inti berat. Reaksi fusi melepaskan energi yang per 1 kg zat jauh lebih besar daripada energi yang dilepaskan selama reaksi fisi uranium. (Di sini, energi yang dilepaskan mengacu pada energi kinetik partikel yang terbentuk sebagai hasil reaksi.) Misalnya, dalam reaksi fusi inti deuterium 1 2 D dan tritium 1 3 T ke dalam inti helium 2 4 He:

1 2 D + 1 3 T → 2 4 Dia + 0 1 n,

Energi yang dilepaskan kira-kira 3,5 MeV per nukleon. Dalam reaksi fisi, energi per nukleon adalah sekitar 1 MeV.

Saat mensintesis inti helium dari empat proton:

4 1 1 p→ 2 4 Bukan + 2 +1 1 e,

energi yang lebih besar dilepaskan, sama dengan 6,7 MeV per partikel. Manfaat energik dari reaksi termonuklir dijelaskan oleh fakta bahwa energi ikat spesifik dalam inti atom helium secara signifikan melebihi energi ikat spesifik inti isotop hidrogen. Jadi, dengan keberhasilan penerapan reaksi termonuklir terkendali, umat manusia akan menerima sumber energi baru yang kuat.

Kondisi untuk reaksi termonuklir

Untuk fusi inti ringan, perlu untuk mengatasi hambatan potensial yang disebabkan oleh tolakan Coulomb terhadap proton dalam inti bermuatan positif serupa. Untuk memadukan inti hidrogen 1 2D mereka perlu didekatkan R , sama dengan kira-kira r ≈ 3 10 -15 m Untuk melakukan ini, Anda perlu melakukan usaha yang sama dengan energi potensial elektrostatik tolakan P = e 2 : (4πε 0 hal ) ≈ 0,1 MeV. Inti deuteron akan mampu mengatasi penghalang tersebut jika, ketika tumbukan, energi kinetik rata-ratanya 3/2 kT akan sama dengan 0,1 MeV. Hal ini dimungkinkan pada T=2 10 9 K. Dalam praktiknya, suhu yang diperlukan untuk terjadinya reaksi termonuklir berkurang dua kali lipat dan berjumlah 10 7K.

Suhu sekitar 10 7 K merupakan ciri khas bagian tengah Matahari. Analisis spektral menunjukkan bahwa materi Matahari, seperti banyak bintang lainnya, mengandung hingga 80% hidrogen dan sekitar 20% helium. Karbon, nitrogen, dan oksigen membentuk tidak lebih dari 1% massa bintang. Dengan massa Matahari yang sangat besar (≈ 2 10 27 kg) jumlah gas-gas tersebut cukup besar.

Reaksi termonuklir terjadi di Matahari dan bintang-bintang dan merupakan sumber energi yang menyediakan radiasi. Setiap detik Matahari mengeluarkan energi 3,8 10 26 J, yang setara dengan penurunan massanya sebesar 4,3 juta ton. Pelepasan spesifik energi matahari, mis. pelepasan energi per satuan massa Matahari per detik adalah 1,9 10 -4 J/dtk kg. Ini sangat kecil dan berjumlah sekitar 10 -3 % pelepasan energi spesifik dalam organisme hidup selama proses metabolisme. Kekuatan radiasi Matahari hampir tidak berubah selama miliaran tahun keberadaan Tata Surya.

Salah satu cara terjadinya reaksi termonuklir di Matahari adalah siklus karbon-nitrogen, yang mana penggabungan inti hidrogen menjadi inti helium difasilitasi dengan adanya inti karbon. 6 12 Dengan bertindak sebagai katalis. Pada awal siklus, proton dengan cepat menembus inti atom karbon 6 12 C dan membentuk inti isotop nitrogen yang tidak stabil 7 13 N dengan radiasi γ-kuantum:

6 12 C + 1 1 hal→ 7 13 N + γ.

Dengan waktu paruh 14 menit di dalam nukleus 7 13 N transformasi terjadi 1 1 hal→ 0 1 n + +1 0 e + 0 0 ν e dan inti isotop terbentuk 6 13 C:

7 13 N→ 6 13 C + +1 0 e + 0 0 ν e.

kira-kira setiap 32 juta tahun inti 7 14 hal menangkap proton dan berubah menjadi inti oksigen 8 15 HAI:

7 14 N+ 1 1 hal→ 8 15 O + γ.

Inti yang tidak stabil 8 15 O dengan waktu paruh 3 menit mengeluarkan positron dan neutrino dan berubah menjadi inti 7 15 N:

8 15 HAI→ 7 15 N+ +1 0 e+ 0 0 ν e.

Siklus tersebut diakhiri dengan reaksi penyerapan oleh inti 7 15 N proton dengan peluruhannya menjadi inti karbon 6 12 C dan partikel α. Ini terjadi setelah sekitar 100 ribu tahun:

7 15 N+ 1 1 p→ 6 12 C + 2 4 Dia.

Siklus baru dimulai lagi dengan penyerapan karbon 6 12 Dari proton yang memancar rata-rata setelah 13 juta tahun. Reaksi individu dalam siklus tersebut dipisahkan dalam waktu dengan interval yang sangat besar dalam skala waktu bumi. Namun siklusnya bersifat tertutup dan terjadi terus menerus. Oleh karena itu, berbagai reaksi siklus terjadi di Matahari secara bersamaan, dimulai pada titik waktu yang berbeda.

Sebagai hasil dari siklus ini, empat proton bergabung menjadi inti helium, menghasilkan dua positron dan sinar γ. Untuk ini kita harus menambahkan radiasi yang terjadi ketika positron bergabung dengan elektron plasma. Ketika satu helium gammatom terbentuk, 700 ribu kWh energi dilepaskan. Jumlah energi ini mengkompensasi hilangnya energi matahari melalui radiasi. Perhitungan menunjukkan bahwa jumlah hidrogen yang ada di Matahari akan cukup untuk mendukung reaksi termonuklir dan radiasi matahari selama miliaran tahun.

Melakukan reaksi termonuklir dalam kondisi terestrial

Pelaksanaan reaksi termonuklir dalam kondisi terestrial akan menciptakan peluang yang sangat besar untuk memperoleh energi. Misalnya, jika deuterium yang terkandung dalam satu liter air digunakan, jumlah energi yang akan dilepaskan melalui reaksi fusi termonuklir sama dengan jumlah energi yang akan dilepaskan selama pembakaran sekitar 350 liter bensin. Namun jika reaksi termonuklir berlangsung secara spontan, maka akan terjadi ledakan kolosal, karena energi yang dilepaskan dalam hal ini sangat tinggi.

Kondisi yang mendekati kondisi di kedalaman Matahari dicapai dalam bom hidrogen. Reaksi termonuklir mandiri yang bersifat eksplosif terjadi di sana. Bahan peledaknya adalah campuran deuterium 1 2 D dengan tritium 1 3 T. Suhu tinggi yang diperlukan agar reaksi dapat terjadi diperoleh dengan ledakan bom atom biasa yang ditempatkan di dalam bom termonuklir.

Masalah utama terkait dengan pelaksanaan reaksi termonuklir

Dalam reaktor termonuklir, reaksi fusi harus terjadi secara perlahan dan dapat dikendalikan. Studi tentang reaksi yang terjadi dalam plasma deuterium suhu tinggi adalah dasar teori untuk memperoleh reaksi termonuklir yang dikendalikan secara buatan. Kesulitan utama adalah mempertahankan kondisi yang diperlukan untuk memperoleh reaksi termonuklir mandiri. Untuk reaksi seperti itu, laju pelepasan energi dalam sistem tempat reaksi berlangsung harus tidak kurang dari laju pelepasan energi dari sistem. Pada suhu sekitar 10 8 Reaksi termonuklir dalam plasma deuterium memiliki intensitas yang nyata dan disertai dengan pelepasan energi yang tinggi. Ketika inti deuterium digabungkan, daya sebesar 3 kW/m dilepaskan per satuan volume plasma 3 . Pada suhu sekitar 10 6 Kekuatan K hanya 10-17 W/m3.

Bagaimana cara praktis menggunakan energi yang dilepaskan? Selama sintesis deuterium dengan triterium, sebagian besar energi yang dilepaskan (sekitar 80%) memanifestasikan dirinya dalam bentuk energi kinetik neutron. Jika neutron ini diperlambat di luar perangkap magnet, panas dapat dihasilkan dan kemudian diubah menjadi energi listrik. Selama reaksi fusi di deuterium, sekitar 2/3 energi yang dilepaskan dibawa oleh partikel bermuatan - produk reaksi dan hanya 1/3 energi - oleh neutron. Dan energi kinetik partikel bermuatan dapat langsung diubah menjadi energi listrik.

Kondisi apa yang diperlukan agar reaksi sintesis dapat terjadi? Dalam reaksi ini, inti harus bergabung satu sama lain. Namun setiap inti bermuatan positif, yang berarti terdapat gaya tolak menolak di antara keduanya, yang ditentukan oleh hukum Coulomb:

, R 2 Z 1 Z 2 e 2 F~

Dimana Z 1 e – muatan satu inti, Z 2 e adalah muatan inti kedua, dan e – modulus muatan elektron. Untuk dapat terhubung satu sama lain, inti atom harus mengatasi gaya tolak menolak Coulomb. Gaya-gaya ini menjadi sangat kuat ketika inti-inti tersebut didekatkan. Gaya tolak menolak akan menjadi yang terkecil jika inti hidrogen mempunyai muatan terkecil ( Z =1). Untuk mengatasi gaya tolak menolak Coulomb dan bergabung, inti harus memiliki energi kinetik sekitar 0,01 - 0,1 MeV. Energi ini sesuai dengan suhu sekitar 10 8 – 10 9 K. Dan ini lebih dari suhu bahkan di kedalaman Matahari! Karena reaksi fusi terjadi pada suhu yang sangat tinggi, maka disebut reaksi termonuklir.

Reaksi termonuklir dapat menjadi sumber energi jika energi yang dilepaskan melebihi biaya yang dikeluarkan. Dengan demikian, seperti yang mereka katakan, proses sintesis akan berlangsung secara mandiri.

Temperatur dimana hal ini terjadi disebut temperatur penyalaan atau temperatur kritis. Untuk reaksi D.T. (deuterium - triterium) suhu penyalaan sekitar 45 juta K, dan untuk reaksi DD (deuterium - deuterium) sekitar 400 juta K. Dengan demikian, reaksi dapat terjadi D.T. diperlukan suhu yang jauh lebih rendah dibandingkan untuk reaksi DD . Oleh karena itu, peneliti plasma lebih memilih reaksi D.T. , meskipun tritium tidak terdapat di alam, dan untuk reproduksinya dalam reaktor termonuklir perlu diciptakan kondisi khusus.

Bagaimana cara menyimpan plasma di beberapa jenis instalasi - reaktor termonuklir - dan memanaskannya sehingga proses fusi dimulai? Kehilangan energi dalam plasma suhu tinggi terutama terkait dengan kehilangan panas melalui dinding perangkat. Plasma harus diisolasi dari dinding. Untuk tujuan ini, medan magnet yang kuat digunakan (isolasi termal magnetik plasma). Jika arus listrik yang besar dialirkan melalui kolom plasma searah sumbunya, maka timbul gaya dalam medan magnet arus ini yang menekan plasma menjadi kabel plasma yang terpisah dari dinding. Menjaga plasma tetap terpisah dari dinding dan memerangi berbagai ketidakstabilan plasma adalah masalah yang sangat kompleks, yang solusinya harus mengarah pada penerapan praktis reaksi termonuklir terkendali.

Jelas bahwa semakin tinggi konsentrasi partikel, semakin sering mereka saling bertabrakan. Oleh karena itu, tampaknya untuk melakukan reaksi termonuklir perlu menggunakan plasma dengan konsentrasi partikel yang besar. Namun jika konsentrasi partikel sama dengan konsentrasi molekul dalam gas pada kondisi normal (10 25 m -3 ), maka pada suhu termonuklir, tekanan dalam plasma akan sangat besar - sekitar 10 12 Pa. Tidak ada perangkat teknis yang dapat menahan tekanan seperti itu! Sehingga tekanannya sekitar 10 6 Pa dan sesuai dengan kekuatan material, plasma termonuklir harus sangat dijernihkan (konsentrasi partikel harus berada di urutan 10 21 m -3 ) Namun, dalam plasma yang dijernihkan, tumbukan partikel satu sama lain lebih jarang terjadi. Agar reaksi termonuklir dapat dipertahankan pada kondisi tersebut, maka perlu dilakukan penambahan waktu tinggal partikel di dalam reaktor. Dalam hal ini, kapasitas retensi perangkap dicirikan oleh produk konsentrasi n partikel untuk waktu t membuat mereka terjebak.

Ternyata untuk reaksinya DD

tidak>10 22 m -3. Dengan,

dan untuk reaksi DT

tidak>10 20 m -3. Dengan.

Dari sini jelas bahwa untuk reaksinya DD pada n=10 21 m -3 waktu penahanan harus lebih dari 10 detik; jika n=10 24 m -3 , maka waktu penahanannya cukup melebihi 0,1 detik.

Untuk campuran deuterium dan tritium di n=10 21 m -3 reaksi fusi termonuklir dapat dimulai jika waktu kurungan plasma lebih dari 0,1 detik, dan ketika n=10 24 m -3 cukup kali ini lebih dari 10 -4 Dengan. Jadi, pada kondisi yang sama, waktu retensi reaksi yang diperlukan adalah D.T. mungkin jauh lebih sedikit dibandingkan reaksi DD . Dalam pengertian ini, reaksinya D.T. lebih mudah diterapkan daripada bereaksi DD.

Implementasi reaksi termonuklir terkendali di instalasi tipe TOKAMAK

Fisikawan terus-menerus mencari cara untuk menangkap energi reaksi fusi termonuklir. Reaksi semacam itu sudah diterapkan di berbagai instalasi termonuklir, namun energi yang dilepaskan di dalamnya belum sebanding dengan biaya uang dan tenaga kerja. Dengan kata lain, reaktor fusi yang ada saat ini belum layak secara ekonomi. Di antara berbagai program penelitian termonuklir, program berbasis reaktor tokamak saat ini dinilai paling menjanjikan. Studi pertama tentang pelepasan listrik cincin dalam medan magnet longitudinal yang kuat dimulai pada tahun 1955 di bawah kepemimpinan fisikawan Soviet I.N. Golovin dan N.A. Yavlinsky. Instalasi toroidal yang mereka bangun cukup besar bahkan menurut standar modern: dirancang untuk pelepasan muatan dengan intensitas arus hingga 250 kA. IN Golovin mengusulkan nama "tokamak" (ruang arus, kumparan magnet) untuk instalasi tersebut. Nama ini digunakan oleh fisikawan di seluruh dunia.

Hingga tahun 1968, penelitian tokamak berkembang terutama di Uni Soviet. Saat ini terdapat lebih dari 50 instalasi tipe tokamak di dunia.

Gambar 1 menunjukkan desain khas tokamak. Medan magnet memanjang di dalamnya diciptakan oleh kumparan pembawa arus yang mengelilingi ruang toroidal. Arus cincin dalam plasma tereksitasi di dalam ruangan seperti pada belitan sekunder transformator ketika baterai kapasitor dilepaskan melalui belitan primer 2. Kabel plasma ditutup dalam ruang toroidal - liner 4, terbuat dari baja tahan karat tipis tebalnya beberapa milimeter. Lapisan tersebut dikelilingi oleh selubung tembaga setebal 5 beberapa sentimeter. Tujuan dari casing ini adalah untuk menstabilkan lengkungan gelombang panjang yang lambat dari filamen plasma.

Eksperimen pada tokamaks memungkinkan untuk menetapkan bahwa waktu pengurungan plasma (nilai yang mencirikan durasi plasma mempertahankan suhu tinggi yang diperlukan) sebanding dengan luas penampang kolom plasma dan induksi medan magnet longitudinal . Induksi magnetik bisa menjadi sangat besar bila bahan superkonduktor digunakan. Kemungkinan lain untuk meningkatkan waktu pengurungan plasma adalah dengan meningkatkan penampang filamen plasma. Artinya perlu dilakukan penambahan ukuran tokamak. Pada musim panas tahun 1975 di Institut Energi Atom dinamai I.V. Kurchatov, tokamak terbesar, T-10, mulai beroperasi. Diperoleh hasil sebagai berikut: suhu ion di bagian tengah kabel adalah 0,6 - 0,8 keV, konsentrasi partikel rata-rata adalah 8. 10 19 m -3 , waktu pengurungan plasma energi 40 – 60 ms, parameter pengurungan utama tidak~(2.4-7.2) . 10 18 m -3. Dengan.

Instalasi yang lebih besar disebut tokamak demonstrasi, yang mulai beroperasi sebelum tahun 1985. Tokamak jenis ini adalah T-20. Ia memiliki dimensi yang sangat mengesankan: radius besar torus adalah 5 meter, radius ruang toroidal adalah 2 meter, volume plasma sekitar 400 meter kubik. Tujuan dibangunnya instalasi tersebut tidak hanya untuk melakukan eksperimen fisik dan penelitian. Tetapi juga perkembangan berbagai aspek teknologi dari masalah - pemilihan bahan, studi tentang perubahan sifat-sifatnya di bawah peningkatan pengaruh termal dan radiasi, dll. Instalasi T-20 dirancang untuk memperoleh reaksi campuran D.T. . Instalasi ini memberikan perlindungan yang andal terhadap sinar-X yang kuat, aliran ion dan neutron yang cepat. Diusulkan untuk menggunakan energi fluks neutron cepat (10 17 m -2. c), yang dalam cangkang pelindung khusus (selimut) akan melambat dan menyerahkan energinya ke cairan pendingin. Apalagi jika selimutnya mengandung isotop litium 3 6 Li , kemudian di bawah pengaruh neutron akan berubah menjadi tritium, yang tidak ada di alam.

Tokamak generasi berikutnya akan menjadi pembangkit listrik fusi skala percontohan, dan pada akhirnya akan menghasilkan listrik. Reaktor tersebut diharapkan menjadi reaktor "hibrida", yang selimutnya akan mengandung bahan fisil (uranium). Di bawah pengaruh neutron cepat, reaksi fisi akan terjadi pada uranium, yang akan meningkatkan keluaran energi keseluruhan instalasi.

Jadi, tokamaks adalah perangkat di mana plasma dipanaskan hingga suhu tinggi dan ditampung. Bagaimana plasma dipanaskan di tokamaks? Pertama-tama, plasma dalam tokamak dipanaskan karena aliran arus listrik; ini, seperti yang mereka katakan, pemanasan ohmik pada plasma. Namun pada suhu yang sangat tinggi, resistensi plasma turun drastis dan pemanasan ohmik menjadi tidak efektif, sehingga berbagai metode kini sedang dieksplorasi untuk lebih meningkatkan suhu plasma, seperti injeksi partikel netral cepat ke dalam plasma dan pemanasan frekuensi tinggi.

Partikel netral tidak mengalami aksi apa pun dari medan magnet yang membatasi plasma, dan oleh karena itu dapat dengan mudah “disuntikkan” ke dalam plasma. Jika partikel-partikel ini memiliki energi tinggi, maka begitu mereka memasuki plasma, mereka terionisasi dan, ketika bertabrakan dengan partikel plasma, mentransfer sebagian energinya ke partikel tersebut, dan plasma memanas. Saat ini, metode untuk menghasilkan aliran partikel netral (atom) dengan energi tinggi telah berkembang cukup baik. Untuk tujuan ini, dengan bantuan perangkat khusus - akselerator - energi yang sangat tinggi diberikan ke partikel bermuatan. Aliran partikel bermuatan ini kemudian dinetralkan menggunakan metode khusus. Hasilnya adalah aliran partikel netral berenergi tinggi.

Pemanasan plasma frekuensi tinggi dapat dilakukan dengan menggunakan medan elektromagnetik frekuensi tinggi eksternal, yang frekuensinya bertepatan dengan salah satu frekuensi alami plasma (kondisi resonansi). Ketika kondisi ini terpenuhi, partikel plasma berinteraksi kuat dengan medan elektromagnetik, dan energi medan ditransfer menjadi energi plasma (plasma memanas).

Meskipun program tokamak dianggap paling menjanjikan untuk fusi termonuklir, fisikawan tidak menghentikan penelitian di bidang lain. Dengan demikian, pencapaian terbaru dalam pengurungan plasma dalam sistem langsung dengan cermin magnetik menimbulkan harapan optimis untuk penciptaan reaktor termonuklir bertenaga berdasarkan sistem tersebut.

Untuk menstabilkan plasma dalam perangkap menggunakan perangkat yang dijelaskan, kondisi diciptakan di mana medan magnet meningkat dari pusat perangkap ke pinggirannya. Pemanasan plasma dilakukan dengan menggunakan injeksi atom netral.

Baik dalam sel tokamak maupun cermin, diperlukan medan magnet yang sangat kuat untuk menampung plasma. Namun, ada arahan untuk memecahkan masalah fusi termonuklir, yang penerapannya menghilangkan kebutuhan untuk menciptakan medan magnet yang kuat. Inilah yang disebut sintesis laser dan sintesis menggunakan berkas elektron relativistik. Inti dari solusi ini adalah pada “target” padat yang terdiri dari campuran beku D.T. , baik radiasi laser yang kuat atau berkas elektron relativistik diarahkan dari semua sisi. Akibatnya, target akan menjadi sangat panas, terionisasi, dan reaksi fusi akan terjadi secara eksplosif. Namun, implementasi praktis dari ide-ide ini penuh dengan kesulitan yang signifikan, khususnya karena kurangnya laser dengan kekuatan yang diperlukan. Namun, proyek reaktor fusi berdasarkan arahan tersebut saat ini sedang dikembangkan secara intensif.

Berbagai proyek dapat memberikan solusi terhadap masalah tersebut. Para ilmuwan berharap, pada akhirnya, reaksi fusi termonuklir yang terkendali dapat dilakukan dan umat manusia akan menerima sumber energi selama jutaan tahun.

Proyek ITER

Sejak awal desain tokamak generasi baru, terlihat jelas betapa rumit dan mahalnya tokamak tersebut. Gagasan alami tentang kerja sama internasional muncul. Ini adalah bagaimana proyek ITER (Reaktor Energi Termonuklir Internasional) muncul, yang pengembangannya melibatkan asosiasi Euratom, Uni Soviet, Amerika Serikat dan Jepang. Solenoida superkonduktor ITER yang berbahan dasar timah nitrat harus didinginkan dengan helium cair pada suhu 4 K atau hidrogen cair pada suhu 20 K. Sayangnya, impian akan solenoid “lebih hangat” yang terbuat dari keramik superkonduktor yang dapat beroperasi pada suhu nitrogen cair ( 73 K) tidak menjadi kenyataan. Perhitungan menunjukkan bahwa hal ini hanya akan memperburuk sistem, karena selain efek superkonduktivitas, konduktivitas substrat tembaga juga akan berkontribusi.

Solenoida ITER menyimpan energi yang sangat besar - 44 GJ, yang setara dengan muatan sekitar 5 ton TNT. Secara umum, sistem elektromagnetik reaktor ini akan memiliki daya dan kompleksitas dua kali lipat lebih besar daripada instalasi operasi terbesar. Dari segi tenaga listrik akan setara dengan Pembangkit Listrik Tenaga Air Dnieper (sekitar 3 GW), dan massa totalnya sekitar 30 ribu ton.

Daya tahan reaktor ditentukan terutama oleh dinding pertama ruang toroidal, yang berada dalam kondisi paling stres. Selain beban termal, ia harus mentransmisikan dan menyerap sebagian aliran neutron yang kuat. Menurut perhitungan, dinding yang terbuat dari baja yang paling cocok dapat bertahan tidak lebih dari 5–6 tahun. Jadi, untuk jangka waktu tertentu pengoperasian ITER - 30 tahun - dinding perlu diganti 5 - 6 kali. Untuk melakukan ini, reaktor harus dibongkar seluruhnya menggunakan manipulator jarak jauh yang rumit dan mahal - lagipula, hanya mereka yang mampu menembus zona radioaktif.

Ini adalah harga bahkan untuk reaktor termonuklir eksperimental - apa yang dibutuhkan oleh reaktor industri?

Penelitian modern tentang plasma dan reaksi termonuklir

Fokus utama penelitian fisika plasma dan fusi termonuklir terkendali yang dilakukan di Institut Fusi Nuklir adalah partisipasi aktif dalam pengembangan desain teknis reaktor termonuklir eksperimental internasional ITER.

Karya-karya ini mendapat dorongan baru setelah penandatanganan pada 19 September 1996 oleh Ketua Pemerintah Federasi Rusia V.S. Resolusi Chernomyrdin tentang persetujuan program ilmiah dan teknis target federal "ITER reaktor termonuklir internasional dan pekerjaan penelitian dan pengembangan untuk mendukungnya pada tahun 1996-1998." Resolusi tersebut menegaskan kewajiban proyek yang ditanggung oleh Rusia dan membahas masalah dukungan sumber daya mereka. Sekelompok karyawan diperbantukan untuk bekerja di tim proyek ITER pusat di AS, Jepang, dan Jerman. Sebagai bagian dari penugasan “rumah”, Institut melakukan pekerjaan eksperimental dan teoretis dalam memodelkan elemen struktural selimut ITER, mengembangkan dasar ilmiah dan dukungan teknis untuk sistem pemanas plasma dan pemeliharaan arus non-induktif menggunakan gelombang siklotron elektron dan netral. injeksi.

Pada tahun 1996, uji bangku prototipe gyrotron kuasi-stasioner yang dikembangkan di Rusia untuk sistem preionisasi dan pemanas plasma ITER ECR dilakukan di Institut Penelitian Nuklir. Uji model metode diagnostik plasma baru sedang dilakukan - pemeriksaan plasma dengan berkas ion berat (bersama dengan Institut Fisika dan Teknologi Kharkov) dan reflektometri. Masalah dalam menjamin keselamatan sistem energi termonuklir dan isu-isu terkait dalam pengembangan kerangka peraturan sedang dipelajari. Serangkaian perhitungan model respon mekanis struktur selimut reaktor terhadap proses dinamis dalam plasma, seperti gangguan arus, perpindahan kabel plasma, dll., telah dilakukan. Pada bulan Februari 1996, pertemuan tematik tentang dukungan diagnostik untuk ITER diadakan di Moskow, yang dihadiri oleh perwakilan semua pihak dalam proyek tersebut.

Selama 30 tahun sekarang (sejak 1973), kerja sama telah secara aktif dilakukan dalam kerangka kerja sama Rusia (Soviet) - Amerika dalam fusi terkendali dengan kurungan magnet. Dan di masa-masa sulit saat ini bagi sains Rusia, masih mungkin untuk mempertahankan tingkat ilmiah yang dicapai dalam beberapa tahun terakhir dan serangkaian penelitian bersama, yang terutama berfokus pada dukungan fisik dan rekayasa ilmiah dari proyek ITER. Pada tahun 1996, spesialis Institut terus berpartisipasi dalam eksperimen deuterium-tritium pada tokamak TFTR di Laboratorium Fisika Plasma Princeton. Selama percobaan ini, seiring dengan kemajuan signifikan dalam mempelajari mekanisme pemanasan sendiri plasma oleh partikel α yang terbentuk dalam reaksi termonuklir, gagasan untuk meningkatkan pengurungan plasma suhu tinggi di tokamaks dengan menciptakan konfigurasi magnetik dengan begitu -disebut pergeseran terbalik di zona tengah secara praktis telah dikonfirmasi. Dilanjutkan bersama dengan departemen fisika plasma perusahaan" UmumAtomik “Studi pelengkap pemeliharaan arus non-induktif dalam plasma menggunakan gelombang mikro dalam rentang resonansi siklotron elektron pada frekuensi 110-140 MHz. Pada saat yang sama, pertukaran peralatan diagnostik unik dilakukan. dipersiapkan untuk pemrosesan online jarak jauh di Institut Ilmu Nuklir hasil pengukuran pada DIII-tokamak D di San Diego, yang stasiun kerja Alfa akan dipindahkan ke Moskow. Dengan partisipasi Institut Fusi Nuklir, penciptaan kompleks gyrotron yang kuat pada DIII-D, dengan fokus pada mode operasi kuasi-stasioner, sedang diselesaikan.Pekerjaan komputasi dan teoritis bersama pada studi proses gangguan sedang dilakukan secara intensif saat ini di tokamaks (salah satu masalah fisik utama ITER hari ini) dan pemodelan proses transportasi dengan partisipasi para ahli teori dari Laboratorium Princeton, Universitas Texas dan " UmumAtomik “Kolaborasi berlanjut dengan Laboratorium Nasional Argonne mengenai masalah interaksi dinding plasma dan pengembangan bahan dengan aktivasi rendah yang menjanjikan untuk reaktor termonuklir bertenaga.

Dalam kerangka program Rusia-Jerman untuk penggunaan energi atom secara damai, kerja sama multifaset sedang dilakukan dengan Institut Fisika Plasma yang dinamai demikian. Max Planck, Pusat Penelitian Nuklir di Universitas Teknik Jülich, Stuttgart dan Dresden. Karyawan Institut berpartisipasi dalam pengembangan dan sekarang dalam pengoperasian kompleks gyrotron dari stellarator Wendelstein W7-As dan tokamak ASDEX-U di M. Planck Institute. Kode numerik dikembangkan bersama untuk memproses hasil pengukuran spektrum energi partikel penukar muatan sehubungan dengan tokamaks T-15 dan ADEX-U. Pekerjaan dilanjutkan pada analisis dan sistematisasi pengalaman pengoperasian sistem rekayasa tokamak TEXTOR dan T-15. Sistem diagnostik plasma reflektometri sedang dipersiapkan untuk eksperimen bersama di TEXTOR. Informasi penting telah dikumpulkan sebagai bagian dari kolaborasi jangka panjang dengan Universitas Teknik Dresden dalam pemilihan dan analisis bahan dengan aktivasi rendah yang menjanjikan untuk desain reaktor termonuklir di masa depan. Kerjasama dengan Universitas Stuttgart difokuskan pada studi masalah teknologi peningkatan keandalan gyrotron berdaya tinggi (bersama dengan Institut Fisika Terapan dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia). Bersama dengan Institut M. Planck cabang Berlin, pekerjaan sedang dilakukan untuk meningkatkan metodologi penggunaan stasiun diagnostik WASA-2 untuk analisis permukaan bahan yang terpapar plasma suhu tinggi. Stasiun ini dikembangkan khusus untuk tokamak T-15.

Kerjasama dengan Perancis dilakukan melalui dua jalur. Penelitian eksperimental bersama tentang fisika sumber ion arus tinggi, khususnya sumber ion hidrogen negatif, dan penggerak plasma untuk pesawat ruang angkasa dilakukan dengan Departemen Fisika Plasma Politeknik Ecole. Pekerjaan kolaboratif berlanjut dengan pusat penelitian De-Gramat untuk mempelajari proses kompresi cangkang silinder konduktif berkecepatan tinggi oleh medan magnet ultra-kuat. Institut telah mengembangkan dan sedang membangun instalasi untuk menghasilkan medan magnet berdenyut dalam kisaran sub-megauss (berdasarkan kontrak).

Konsultasi sedang dilakukan dengan spesialis dari Pusat Penelitian Fisika Plasma Swiss Suisse Ecole Poytechnique mengenai penggunaan metode pemanasan plasma siklotron elektron. Program kerjasama jangka panjang di bidang CTS telah disepakati dengan Pusat Nuklir Frascati (Italia).

Perjanjian payung tentang pertukaran ilmiah timbal balik ditandatangani dengan Pusat Penelitian Plasma Nasional Jepang (Nagoya). Sejumlah studi teoritis dan komputasi gabungan telah dilakukan mengenai mekanisme transfer dalam plasma tokamak dan masalah pengurungan di stellarator (dalam kaitannya dengan heliotron LHD besar yang sedang dibangun di Jepang).

Di Institut Fisika Plasma dari Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok (Hefei), eksperimen skala penuh telah dimulai pada tokamak superkonduktor NT-7, yang dibuat berdasarkan tokamak T-7 kami. Institut sedang mempersiapkan beberapa sistem diagnostik untuk NT-7 berdasarkan kontrak.

Para ahli di Institut tersebut berulang kali diundang oleh Samsung untuk memberi nasihat mengenai desain tokamak superkonduktor START yang besar, yang direncanakan akan dibangun oleh Korea Selatan pada tahun 1999. Ini merupakan instalasi termonuklir terbesar di dunia saat ini.

Institut ini adalah organisasi utama untuk enam proyek Pusat Ilmiah dan Teknis Internasional ISTC (siklus tritium reaktor fusi, penerapan teknologi implantasi ion, diagnostik plasma, sistem lidar untuk pengendalian lingkungan lingkungan di atmosfer, sistem pemulihan untuk pemanasan injeksi plasma kompleks dalam sistem fusi, sumber plasma suhu rendah untuk keperluan teknologi ).

Kesimpulan

Ide pembuatan reaktor fusi bermula pada tahun 1950-an. Kemudian diputuskan untuk meninggalkannya, karena para ilmuwan tidak mampu memecahkan banyak masalah teknis. Beberapa dekade berlalu sebelum para ilmuwan mampu “memaksa” reaktor untuk menghasilkan energi termonuklir dalam jumlah berapa pun.

Dalam proses penulisan tugas kuliah saya, saya mengajukan pertanyaan tentang penciptaan dan masalah utama fusi termonuklir, dan ternyata pembuatan instalasi untuk menghasilkan fusi termonuklir adalah sebuah masalah, tetapi bukan masalah utama. Masalah utamanya meliputi retensi plasma dalam reaktor dan penciptaan kondisi optimal: produk konsentrasi n partikel untuk waktu t menjebak mereka dan menciptakan suhu kira-kira sama dengan suhu di pusat matahari.

Terlepas dari semua kesulitan dalam menciptakan fusi termonuklir terkendali, para ilmuwan tidak putus asa dan mencari solusi untuk masalah tersebut, karena Jika reaksi fusi berhasil dilakukan, sumber energi yang sangat besar akan diperoleh, dalam banyak hal lebih unggul daripada pembangkit listrik mana pun yang diciptakan.Cadangan bahan bakar untuk pembangkit listrik semacam itu praktis tidak ada habisnya - deuterium dan tritium mudah diekstraksi dari air laut. Satu kilogram isotop tersebut dapat melepaskan energi sebanyak 10 juta kg bahan bakar fosil.

Masa depan tidak akan ada tanpa pengembangan fusi termonuklir, umat manusia membutuhkan listrik, dan dalam kondisi modern kita tidak akan memiliki cadangan energi yang cukup ketika menerimanya dari pembangkit listrik tenaga nuklir dan pembangkit listrik.

literatur

1. Milantiev V.P., Temko S.V. Fisika plasma: buku. untuk ekstrakurikuler membaca. VIII–X kelas – edisi ke-2, tambahkan. – M.: Pendidikan, 1983. 160 hal., sakit. – (Dunia pengetahuan).

2. Svirsky M.S. Teori materi elektronik: buku teks. manual untuk siswa fisika - tikar. palsu. ped. Institut - M.: Pendidikan, 1980. - 288 hal., sakit.

3. Tsitovich V.N. Sifat listrik plasma. M., “Pengetahuan”, 1973.

4. Teknologi Remaja // No.2/1991

5. Yavorsky B.M., Seleznev Yu.A. Panduan Referensi Fisika. – M.: Sains. – Bab. ed. Fis.-Matematika. lit., 1989. – 576 hal., sakit.

Artikel ini membahas alasan mengapa fusi termonuklir terkendali belum menemukan penerapan industri.

Ketika ledakan dahsyat mengguncang bumi pada tahun lima puluhan abad yang lalu bom termonuklir, sepertinya sebelum digunakan secara damai energi fusi nuklir Tinggal sedikit lagi: satu atau dua dekade. Ada alasan untuk optimisme tersebut: hanya 10 tahun berlalu dari penggunaan bom atom hingga pembuatan reaktor yang menghasilkan listrik.

Tapi tugas mengekang fusi termonuklir ternyata sangat sulit. Puluhan tahun berlalu, dan akses terhadap cadangan energi tak terbatas tidak pernah tercapai. Selama masa ini, umat manusia, dengan membakar sumber daya fosil, mencemari atmosfer dengan emisi dan memanaskannya secara berlebihan dengan gas rumah kaca. Bencana Chernobyl dan Fukushima-1 mendiskreditkan energi nuklir.

Apa yang menghalangi kita untuk menguasai proses fusi termonuklir yang menjanjikan dan aman, yang selamanya dapat memecahkan masalah penyediaan energi bagi umat manusia?

Awalnya, jelas bahwa agar reaksi dapat terjadi, inti hidrogen perlu disatukan sedemikian erat sehingga gaya nuklir dapat membentuk inti unsur baru - helium, dan melepaskan sejumlah besar energi. Tapi inti hidrogen saling tolak menolak oleh gaya listrik. Penilaian terhadap suhu dan tekanan di mana reaksi termonuklir terkontrol dimulai menunjukkan bahwa tidak ada material yang dapat menahan suhu tersebut.

Untuk alasan yang sama, deuterium murni, sebuah isotop hidrogen, ditolak. Setelah menghabiskan miliaran dolar dan waktu puluhan tahun, para ilmuwan akhirnya mampu menyalakan api termonuklir dalam waktu yang sangat singkat. Masih harus dipelajari bagaimana mempertahankan plasma fusi termonuklir untuk waktu yang lama. Dari pemodelan komputer perlu beralih ke pembangunan reaktor nyata.

Pada tahap ini, menjadi jelas bahwa upaya dan dana dari suatu negara tidak akan cukup untuk membangun dan mengoperasikan instalasi eksperimental dan industri percontohan. Sebagai bagian dari kerja sama internasional, diputuskan untuk melaksanakan proyek reaktor termonuklir eksperimental senilai lebih dari $14 miliar.

Namun pada tahun 1996, Amerika Serikat menghentikan partisipasinya dan, karenanya, mendanai proyek tersebut. Selama beberapa waktu pelaksanaannya dilakukan dengan mengorbankan dana dari Kanada, Jepang dan Eropa, namun tidak pernah sampai pada pembangunan reaktor.

Proyek kedua, juga internasional, sedang dilaksanakan di Perancis. Pengurungan plasma jangka panjang terjadi karena bentuk medan magnet khusus - dalam bentuk botol. Dasar dari metode ini diletakkan oleh fisikawan Soviet. Pertama Instalasi tipe "Tokamak". harus menghasilkan lebih banyak energi pada output daripada yang dihabiskan untuk menyalakan dan membatasi plasma.

Pemasangan reaktor tersebut seharusnya selesai pada tahun 2012, namun belum ada informasi keberhasilan pengoperasiannya. Mungkin guncangan ekonomi beberapa tahun terakhir telah membuat penyesuaian terhadap rencana para ilmuwan.

Kesulitan dalam mencapai fusi terkontrol memunculkan banyak spekulasi dan laporan palsu tentang apa yang disebut reaksi fusi termonuklir "dingin". Meskipun belum ada kemampuan fisik atau hukum yang ditemukan, banyak peneliti yang mengklaim keberadaannya. Lagi pula, taruhannya terlalu besar: mulai dari Hadiah Nobel bagi para ilmuwan hingga dominasi geopolitik suatu negara yang telah menguasai teknologi tersebut dan memperoleh akses terhadap energi yang berlimpah.

Namun setiap laporan seperti itu ternyata dibesar-besarkan atau salah. Ilmuwan yang serius merasa skeptis terhadap adanya reaksi semacam itu.

Kemungkinan nyata untuk menguasai fusi dan memulai operasi komersial reaktor termonuklir sedang diundur ke pertengahan abad ke-21. Pada saat ini, dimungkinkan untuk memilih bahan-bahan yang diperlukan dan melakukan pengoperasian yang aman. Karena reaktor tersebut akan beroperasi dengan plasma dengan kepadatan sangat rendah, keselamatan pembangkit listrik fusi akan jauh lebih tinggi dibandingkan pembangkit listrik tenaga nuklir.

Setiap gangguan pada zona reaksi akan segera “memadamkan” nyala termonuklir. Namun Anda tidak boleh mengabaikan langkah-langkah keselamatan: daya unit reaktor akan sangat tinggi sehingga kecelakaan bahkan di sirkuit ekstraksi panas dapat mengakibatkan korban jiwa dan pencemaran lingkungan. Hanya ada satu hal yang harus dilakukan: menunggu 30-40 tahun dan melihat era kelimpahan energi. Tentu saja jika kita hidup.

KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN ILMU PENGETAHUAN FEDERASI RUSIA

Badan Federal untuk Pendidikan

Institusi Pendidikan Negeri Pendidikan Profesi Tinggi "Universitas Pedagogis Negeri Blagoveshchensk"

Fakultas Fisika dan Matematika

Departemen Fisika Umum

Pekerjaan kursus

pada topik: Masalah fusi termonuklir

disiplin: Fisika

Pelaku: V.S. Kletchenko

Ketua : V.A. Evdokimova

Blagoveshchensk 2010

Perkenalan

Reaksi termonuklir dan manfaat energinya

Kondisi untuk reaksi termonuklir

Melakukan reaksi termonuklir dalam kondisi terestrial

Masalah utama terkait dengan pelaksanaan reaksi termonuklir

Implementasi reaksi termonuklir terkendali di instalasi tipe TOKAMAK

Proyek ITER

Penelitian modern tentang plasma dan reaksi termonuklir

Kesimpulan

literatur

Perkenalan

Tujuan pekerjaan: mempelajari sifat dan masalah fusi termonuklir.

Reaksi termonuklir dan manfaat energinya

Reaksi termonuklir adalah sintesis inti atom yang lebih berat dari inti atom yang lebih ringan untuk memperoleh energi yang terkendali.

Diketahui inti atom hidrogen adalah proton p. Ada banyak hidrogen di alam - di udara dan air. Selain itu, terdapat isotop hidrogen yang lebih berat. Inti salah satunya, selain proton p, juga mengandung neutron n. Isotop ini disebut deuterium D. Inti dari isotop lain mengandung, selain proton p, dua neutron n dan disebut tritium (tritium) T. Reaksi termonuklir paling efektif terjadi pada suhu sangat tinggi sekitar 10 7 - 10 9 K. Reaksi termonuklir melepaskan energi yang sangat tinggi, melebihi energi yang dilepaskan selama fisi inti berat. Reaksi fusi melepaskan energi yang per 1 kg zat jauh lebih besar daripada energi yang dilepaskan selama reaksi fisi uranium. (Di sini, energi yang dilepaskan dipahami sebagai energi kinetik partikel yang terbentuk sebagai hasil reaksi.) Misalnya, selama reaksi fusi inti deuterium 1 2 D dan tritium 1 3 T menjadi inti helium 2 4 He:

1 2 D + 1 3 T → 2 4 Dia + 0 1 n,

Energi yang dilepaskan kira-kira 3,5 MeV per nukleon. Dalam reaksi fisi, energi per nukleon adalah sekitar 1 MeV.

Saat mensintesis inti helium dari empat proton:

4 1 1 p→ 2 4 Bukan + 2 +1 1 e,

Kondisi untuk reaksi termonuklir

Untuk fusi inti ringan, perlu untuk mengatasi hambatan potensial yang disebabkan oleh tolakan Coulomb terhadap proton dalam inti bermuatan positif serupa. Untuk meleburkan inti hidrogen 1 2 D, inti tersebut harus didekatkan pada jarak r sama dengan kira-kira r ≈ 3 10 -15 m Untuk melakukan ini, usaha harus dilakukan sama dengan energi potensial tolakan elektrostatis P = e 2: ( 4πε 0 r) ≈ 0,1 MeV. Inti deuteron akan mampu mengatasi penghalang tersebut jika, pada tumbukan, energi kinetik rata-ratanya 3/2 kT sama dengan 0,1 MeV. Hal ini dimungkinkan pada T = 2 · 10 9 K. Dalam praktiknya, suhu yang diperlukan untuk terjadinya reaksi termonuklir berkurang dua kali lipat dan berjumlah 10 7 K.

Suhu sekitar 10 7 K merupakan ciri khas bagian tengah Matahari. Analisis spektral menunjukkan bahwa materi Matahari, seperti banyak bintang lainnya, mengandung hingga 80% hidrogen dan sekitar 20% helium. Karbon, nitrogen, dan oksigen membentuk tidak lebih dari 1% massa bintang. Mengingat massa Matahari yang sangat besar (≈ 2 10 27 kg), jumlah gas-gas tersebut cukup besar.

Reaksi termonuklir terjadi di Matahari dan bintang-bintang dan merupakan sumber energi yang menyediakan radiasi. Setiap detik Matahari mengeluarkan energi 3,8 · 10 26 J, yang setara dengan penurunan massanya sebesar 4,3 juta ton. Pelepasan spesifik energi matahari, mis. Pelepasan energi per satuan massa Matahari dalam satu detik sama dengan 1,9 10 -4 J/s kg. Ini sangat kecil dan berjumlah sekitar 10 -3% dari pelepasan energi spesifik dalam organisme hidup selama proses metabolisme. Kekuatan radiasi Matahari hampir tidak berubah selama miliaran tahun keberadaan Tata Surya.

Salah satu cara terjadinya reaksi termonuklir di Matahari adalah siklus karbon-nitrogen, di mana penggabungan inti hidrogen menjadi inti helium difasilitasi dengan adanya inti karbon 6 12 C yang berperan sebagai katalis. Pada awal siklus, proton cepat menembus inti atom karbon 6 12 C dan membentuk inti isotop nitrogen 7 13 N yang tidak stabil dengan radiasi kuantum:

6 12 C + 1 1 hal→ 7 13 N + γ.

Dengan waktu paruh 14 menit, transformasi 1 1 p→ 0 1 n + +1 0 e + 0 0 ν e terjadi pada inti 7 13 N dan terbentuk inti isotop 6 13 C:

7 13 N→ 6 13 C + +1 0 e + 0 0 ν e.

kira-kira setiap 32 juta tahun, inti 7 14 N menangkap sebuah proton dan berubah menjadi inti oksigen 8 15 O:

7 14 N+ 1 1 hal→ 8 15 O + γ.

Inti tidak stabil 8 15 O dengan waktu paruh 3 menit mengeluarkan positron dan neutrino dan berubah menjadi inti 7 15 N:

8 15 HAI→ 7 15 N+ +1 0 e+ 0 0 ν e.

Siklus diakhiri dengan reaksi penyerapan proton oleh inti 7 15 N dengan peluruhannya menjadi inti karbon 6 12 C dan partikel . Ini terjadi setelah sekitar 100 ribu tahun:

7 15 N+ 1 1 p→ 6 12 C + 2 4 Dia.

Siklus baru dimulai lagi dengan penyerapan proton 6 12 C oleh karbon, yang terjadi rata-rata setelah 13 juta tahun. Reaksi individu dalam siklus tersebut dipisahkan dalam waktu dengan interval yang sangat besar dalam skala waktu bumi. Namun siklusnya bersifat tertutup dan terjadi terus menerus. Oleh karena itu, berbagai reaksi siklus terjadi di Matahari secara bersamaan, dimulai pada titik waktu yang berbeda.

Melakukan reaksi termonuklir dalam kondisi terestrial

Masalah utama terkait dengan pelaksanaan reaksi termonuklir

Dalam reaktor termonuklir, reaksi fusi harus terjadi secara perlahan dan dapat dikendalikan. Studi tentang reaksi yang terjadi dalam plasma deuterium suhu tinggi adalah dasar teori untuk memperoleh reaksi termonuklir yang dikendalikan secara buatan. Kesulitan utama adalah mempertahankan kondisi yang diperlukan untuk memperoleh reaksi termonuklir mandiri. Untuk reaksi seperti itu, laju pelepasan energi dalam sistem tempat reaksi berlangsung harus tidak kurang dari laju pelepasan energi dari sistem. Pada suhu sekitar 10 8 K, reaksi termonuklir dalam plasma deuterium memiliki intensitas yang nyata dan disertai dengan pelepasan energi yang tinggi. Dalam satuan volume plasma, ketika inti deuterium bergabung, daya sebesar 3 kW/m 3 dilepaskan. Pada suhu sekitar 10 6 K, dayanya hanya 10 -17 W/m 3.

Membagikan: