ولأول مرة صاغ مشكلة الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة في الاتحاد السوفيتي واقترح بعض الحلول البناءة لها. الفيزيائي السوفيتيلافرينتيف O. A. بجانبه مساهمة مهمةتم تقديم ما يلي لحل المشكلة: الفيزيائيين المتميزين، مثل A. D. Sakharov و I. E. Tamm، وكذلك L. A. Artsimovich، الذي ترأس البرنامج السوفيتي للاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة منذ عام 1951.
تاريخيًا، نشأت مسألة الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة على المستوى العالمي في منتصف القرن العشرين. من المعروف أن آي في كورشاتوف قدم اقتراحًا في عام 1956 للتعاون بين العلماء النوويين بلدان مختلفةفي حل هذا مشكلة علمية. حدث ذلك خلال زيارة لمركز هارويل النووي البريطاني ( إنجليزي) .
أنواع ردود الفعل
ويكون تفاعل الاندماج كما يلي: نتيجة تطبيق قوة معينة، يتم تقريب نواتين ذريتين أو أكثر بحيث تتغلب القوى المؤثرة على هذه المسافات على قوى التنافر الكولومية بين النوى المشحونة بشكل مماثل، مما يؤدي إلى تشكيل نواة جديدة. عندما يتم إنشاء نواة جديدة، سيتم إطلاق كمية كبيرة من طاقة التفاعل القوية. بواسطة صيغة معروفة E=mc²، بعد إطلاق الطاقة، سيفقد نظام النيوكليونات جزءًا من كتلته. من الأسهل إيصال النوى الذرية التي تحتوي على شحنة كهربائية صغيرة إلى المسافة المطلوبة النظائر الثقيلةالهيدروجين هي واحدة من أفضل المناظرالوقود لتفاعل التوليف.
لقد وجد أن خليط من نظيرين، الديوتيريوم والتريتيوم، يتطلب طاقة أقل لتفاعل الاندماج مقارنة بالطاقة المنطلقة أثناء التفاعل. ومع ذلك، على الرغم من أن الديوتيريوم-التريتيوم (D-T) هو موضوع معظم أبحاث الاندماج، إلا أنه ليس الوقود المحتمل الوحيد بأي حال من الأحوال. قد يكون إنتاج الخلائط الأخرى أسهل؛ ويمكن التحكم في تفاعلها بشكل أكثر موثوقية، أو، الأهم من ذلك، إنتاج عدد أقل من النيوترونات. إن ما يسمى بالتفاعلات "الخالية من النيوترونات" لها أهمية خاصة، حيث أن الاستخدام الصناعي الناجح لهذا الوقود سيعني غياب التلوث الإشعاعي طويل المدى للمواد وتصميم المفاعل، والذي بدوره يمكن أن يكون له تأثير إيجابي على الرأي العاموعلى التكلفة الإجمالية لتشغيل المفاعل، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف وقف التشغيل والتخلص منه. تظل المشكلة هي أن التفاعلات التخليقية باستخدام أنواع الوقود البديلة تكون أكثر صعوبة في الحفاظ عليها بسبب رد فعل D-Tيعتبر مجرد خطوة أولى ضرورية.
يمكن استخدام الانصهار المتحكم فيه أنواع مختلفةتفاعلات نووية حرارية تعتمد على نوع الوقود المستخدم.
تفاعل الديوتيريوم + التريتيوم (وقود D-T)
التفاعل الأكثر سهولة هو الديوتيريوم + التريتيوم:
2 H + 3 H = 4 He + n مع خرج طاقة يبلغ 17.6 MeV (ميجا إلكترون فولت).
رد الفعل هذا ممكن بسهولة من وجهة النظر التقنيات الحديثة، يعطي إنتاجًا كبيرًا من الطاقة، ومكونات الوقود رخيصة الثمن. العيب هو إطلاق الإشعاع النيوتروني غير المرغوب فيه.
تندمج نواتان: الديوتيريوم والتريتيوم لتكوين نواة الهيليوم (جسيم ألفا) ونيوترون عالي الطاقة:
توكاماك (غرفة تورويدال ذات ملفات مغناطيسية) - تركيب حلقي لحبس البلازما المغناطيسي. لا يتم احتجاز البلازما بواسطة جدران الغرفة، التي لا تستطيع تحمل درجة حرارتها، ولكن بواسطة مجال مغناطيسي تم إنشاؤه خصيصًا. ميزة خاصة للتوكاماك هي الاستخدام التيار الكهربائي، يتدفق عبر البلازما لإنشاء المجال الحلقي اللازم لتوازن البلازما.
تفاعل الديوتيريوم + الهيليوم-3
من الأصعب بكثير، في حدود ما هو ممكن، إجراء تفاعل الديوتيريوم + الهيليوم-3
2 H + 3 He = 4 He + مع خرج طاقة قدره 18.4 MeV.شروط تحقيق ذلك أكثر تعقيدًا. الهيليوم-3 هو أيضًا نظير نادر ومكلف للغاية. لا يتم إنتاجه حاليًا على نطاق صناعي. ومع ذلك، يمكن الحصول عليه من التريتيوم، الذي يتم إنتاجه بدوره في محطات الطاقة النووية؛ أو الملغومة على القمر.
يمكن وصف تعقيد تنفيذ التفاعل النووي الحراري بالمنتج الثلاثي ن.تτ (الكثافة لكل درجة حرارة لكل وقت الاحتفاظ). وفقًا لهذه المعلمة، يكون تفاعل D-3He أكثر تعقيدًا بحوالي 100 مرة من تفاعل D-T.
التفاعل بين نوى الديوتيريوم (D-D، مادة دافعة أحادية)
بالإضافة إلى التفاعل الرئيسي، يحدث ما يلي أيضًا في بلازما DD:
تتم هذه التفاعلات ببطء بالتوازي مع تفاعل الديوتيريوم + الهيليوم -3، ومن المرجح أن يتفاعل التريتيوم والهيليوم -3 المتكون خلالهما على الفور مع الديوتيريوم.
أنواع أخرى من ردود الفعل
بعض أنواع ردود الفعل الأخرى ممكنة أيضًا. يعتمد اختيار الوقود على العديد من العوامل - توفره ورخص ثمنه، وإنتاج الطاقة، وسهولة تحقيق الظروف المطلوبة لتفاعل الاندماج النووي الحراري (درجة الحرارة في المقام الأول)، وخصائص التصميم الضرورية للمفاعل، وما إلى ذلك.
ردود الفعل "النيوترونية".
والأكثر واعدة هي ما يسمى بالتفاعلات "الخالية من النيوترونات"، حيث أن تدفق النيوترونات الناتج عن الاندماج النووي الحراري (على سبيل المثال، في تفاعل الديوتيريوم والتريتيوم) يحمل جزءًا كبيرًا من الطاقة ويولد نشاطًا إشعاعيًا مستحثًا في تصميم المفاعل. . تفاعل الديوتيريوم + الهيليوم-3 واعد بسبب قلة إنتاج النيوترونات.
ردود الفعل على الهيدروجين الخفيف
D + T → 4 He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV).
ومع ذلك، فإن الأغلبية (أكثر من 80٪) من الطاقة الحركية المنطلقة تأتي من النيوترون. ونتيجة لاصطدام الشظايا مع ذرات أخرى، تتحول هذه الطاقة إلى حرارة. بالإضافة إلى ذلك، تنتج النيوترونات السريعة كميات كبيرة من النفايات المشعة. في المقابل، فإن تخليق الديوتيريوم والهيليوم-3 لا ينتج عنه أي منتجات مشعة تقريبًا:
D + 3 He → 4 He (3.7 MeV) + p (14.7 MeV)، حيث p هو بروتون.
وهذا يسمح باستخدام أنظمة أبسط وأكثر كفاءة لتحويل تفاعل الاندماج الحركي، مثل المولد الهيدروديناميكي المغناطيسي.
تصاميم المفاعلات
هناك خطتان أساسيتان لتنفيذ الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة، ويجري تطويرهما حاليًا (2012):
النوع الأول من المفاعلات النووية الحرارية تم تطويره ودراسته بشكل أفضل من النوع الثاني.
السلامة من الإشعاع
يعتبر مفاعل الاندماج أكثر أمانًا من المفاعل النووي من حيث الإشعاع. بادئ ذي بدء، كمية المواد المشعة الموجودة فيه صغيرة نسبيا. كما أن الطاقة التي يمكن إطلاقها نتيجة لأي حادث تكون قليلة أيضًا ولا يمكن أن تؤدي إلى تدمير المفاعل. وفي الوقت نفسه، يحتوي تصميم المفاعل على عدة حواجز طبيعية تمنع انتشار المواد المشعة. على سبيل المثال، يجب إغلاق الغرفة المفرغة وغطاء ناظم البرد، وإلا فلن يتمكن المفاعل من العمل. ومع ذلك، أثناء تصميم ITER، تم إيلاء اهتمام كبير له السلامة الإشعاعيةسواء أثناء التشغيل العادي أو أثناء الحوادث المحتملة.
هناك عدة مصادر للتلوث الإشعاعي المحتمل:
- النظائر المشعةالهيدروجين - التريتيوم.
- النشاط الإشعاعي المستحث في مواد التركيب نتيجة للإشعاع النيوتروني؛
- الغبار المشع المتكون نتيجة عمل البلازما على الجدار الأول؛
- منتجات التآكل الإشعاعي التي يمكن أن تتشكل في نظام التبريد.
من أجل منع انتشار التريتيوم والغبار إذا غادروا غرفة التفريغ ومنظم التبريد، يلزم وجود نظام تهوية خاص للحفاظ على ضغط منخفض في مبنى المفاعل. ولذلك لن يكون هناك تسرب للهواء من المبنى إلا من خلال مرشحات التهوية.
عند بناء مفاعل، ITER على سبيل المثال، حيثما أمكن ذلك، المواد التي تم اختبارها بالفعل الطاقة النووية. ونتيجة لهذا، فإن النشاط الإشعاعي المستحث سيكون صغيرا نسبيا. على وجه الخصوص، حتى في حالة فشل أنظمة التبريد، سيكون الحمل الحراري الطبيعي كافيًا لتبريد حجرة التفريغ والعناصر الهيكلية الأخرى.
وتشير التقديرات إلى أنه حتى في حالة وقوع حادث، فإن الانبعاثات المشعة لن تشكل خطرا على السكان ولن تسبب الحاجة إلى الإخلاء.
دورة الوقود
من المرجح أن تعمل مفاعلات الجيل الأول بمزيج من الديوتيريوم والتريتيوم. سيتم امتصاص النيوترونات التي يتم إنتاجها أثناء التفاعل بواسطة درع المفاعل، وسيتم استخدام الحرارة المتولدة لتسخين سائل التبريد في المبادل الحراري، وسيتم استخدام هذه الطاقة بدورها في تدوير المولد.
. .تفاعل الاندماج كمصدر صناعي للكهرباء
يعتبر العديد من الباحثين (أبرزهم كريستوفر لويلين سميث) طاقة الاندماج كمصدر طاقة "طبيعي" على المدى الطويل. يستشهد مؤيدو الاستخدام التجاري لمفاعلات الاندماج لإنتاج الكهرباء بالحجج التالية لصالحهم:
تكلفة الكهرباء مقارنة بالمصادر التقليدية
ويشير المنتقدون إلى أن فعالية تكلفة الاندماج النووي في توليد الكهرباء للأغراض العامة تظل مسألة مفتوحة. وتشير نفس الدراسة، التي أجراها مكتب العلوم والتكنولوجيا التابع للبرلمان البريطاني، إلى أن تكلفة إنتاج الكهرباء باستخدام مفاعل الاندماج النووي من المرجح أن تكون عند الطرف الأعلى من طيف تكاليف مصادر الطاقة التقليدية. وسيعتمد الكثير على التكنولوجيا المتاحة في المستقبل، وهيكل السوق والتنظيم. تعتمد تكلفة الكهرباء بشكل مباشر على كفاءة الاستخدام ومدة التشغيل وتكلفة التخلص من المفاعل.
قضية منفصلة هي تكلفة البحث. تنفق دول الاتحاد الأوروبي نحو 200 مليون يورو سنويا على الأبحاث، ومن المتوقع أن يستغرق الأمر عدة عقود أخرى حتى يصبح الاستخدام الصناعي للاندماج النووي ممكنا. ويعتقد أنصار المصادر البديلة غير النووية للكهرباء أنه سيكون من الأنسب استخدام هذه الأموال لإدخال مصادر متجددة للكهرباء.
توافر طاقة الاندماج التجارية
على الرغم من التفاؤل واسع النطاق (منذ الأبحاث المبكرة في الخمسينيات من القرن العشرين)، لم يتم التغلب بعد على عقبات كبيرة بين الفهم الحالي لعمليات الاندماج النووي والقدرات التكنولوجية والاستخدام العملي للاندماج النووي. وليس من الواضح حتى مدى فعالية إنتاج الكهرباء باستخدام الاندماج النووي من حيث التكلفة. على الرغم من التقدم المستمر في الأبحاث، إلا أن الباحثين يواجهون باستمرار مشاكل جديدة. على سبيل المثال، يتمثل التحدي في تطوير مادة يمكنها تحمل القصف النيوتروني، والذي تشير التقديرات إلى أنه أشد 100 مرة من المفاعلات النووية التقليدية. وتتفاقم خطورة المشكلة بسبب حقيقة أن المقطع العرضي لتفاعل النيوترونات مع النوى مع زيادة الطاقة يتوقف عن الاعتماد على عدد البروتونات والنيوترونات ويميل إلى المقطع العرضي للنواة الذرية - وللنيوترونات الطاقة 14 MeV ببساطة لا يوجد نظير ذو مقطع عرضي صغير بما فيه الكفاية للتفاعل. وهذا يتطلب استبدال متكرر للغاية. تصاميم د.تو مفاعل د-دويقلل من ربحيته إلى درجة أن تكلفة تصميمات المفاعلات منه المواد الحديثةوتبين أن هذين النوعين أكثر من تكلفة الطاقة التي ينتجانها. هناك ثلاثة أنواع من الحلول الممكنة:
- رفض الاندماج النووي النقي واستخدامه كمصدر للنيوترونات لانشطار اليورانيوم أو الثوريوم.
- رفض D-T و توليف D-Dلصالح ردود الفعل التوليفية الأخرى (على سبيل المثال D-He).
- انخفاض حاد في تكلفة المواد الإنشائية أو تطوير عمليات ترميمها بعد التشعيع. هناك حاجة أيضًا إلى استثمارات ضخمة في علوم المواد، لكن الآفاق غير مؤكدة.
التفاعلات الجانبية D-D (3٪) أثناء تركيب D-He تعقد إنتاج تصميمات فعالة من حيث التكلفة للمفاعل، ولكنها ليست مستحيلة على المستوى التكنولوجي الحالي.
تتميز مراحل البحث التالية:
1. وضع التوازن أو "التمرير".(التعادل): عندما يكون إجمالي الطاقة المنطلقة في عملية الاندماج مساوياً لإجمالي الطاقة المستهلكة في بدء التفاعل والحفاظ عليه. يتم تمييز هذه النسبة بالرمز س.
2. البلازما المشتعلة(البلازما المحترقة): مرحلة وسطية يتم فيها دعم التفاعل بشكل أساسي بواسطة جسيمات ألفا التي يتم إنتاجها أثناء التفاعل وليس عن طريق التسخين الخارجي. س ≈ 5. ما زال (2012) لم يتحقق.
3. اشتعال(الاشتعال): استجابة مستقرة ذاتية الاكتفاء. ينبغي أن يتحقق في قيم عالية س. لا يزال لم يتحقق.
وينبغي أن تكون الخطوة التالية في البحث هي المفاعل التجريبي النووي الحراري الدولي (ITER). من المخطط في هذا المفاعل دراسة سلوك البلازما ذات درجة الحرارة المرتفعة (البلازما المشتعلة ذات س~ 30) والمواد الإنشائية لمفاعل صناعي.
ستكون المرحلة الأخيرة من البحث عبارة عن عرض تجريبي: نموذج أولي لمفاعل صناعي يتم فيه الإشعال وإظهار التطبيق العملي للمواد الجديدة. التوقعات الأكثر تفاؤلاً لاستكمال المرحلة التجريبية: 30 عامًا. بالنظر الوقت المقدرومن أجل بناء مفاعل صناعي وتشغيله، فإننا على بعد 40 عامًا تقريبًا من الاستخدام الصناعي للطاقة النووية الحرارية.
توكاماك الموجودة
في المجموع، تم بناء حوالي 300 توكاماك في العالم. أكبرها مذكورة أدناه.
- اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية وروسيا
- T-3 هو أول جهاز وظيفي.
- T-4 - نسخة مكبرة من T-3
- T-7 عبارة عن تركيب فريد من نوعه، حيث يتم لأول مرة في العالم تنفيذ نظام مغناطيسي كبير نسبيًا بملف لولبي فائق التوصيل يعتمد على نيوبات القصدير المبرد بالهيليوم السائل. المهمة الرئيسيةتم الانتهاء من T-7: تم إعداد احتمال الجيل القادم من الملفات اللولبية فائقة التوصيل لطاقة الاندماج.
- T-10 وPLT هما الخطوة التالية في الأبحاث النووية الحرارية العالمية، فهما تقريبًا بنفس الحجم، ونفس القوة، ولهما نفس عامل الحبس. والنتائج التي تم الحصول عليها متطابقة: حقق كلا المفاعلين درجة الحرارة المرغوبة للاندماج النووي الحراري، وكان التأخر وفقا لمعيار لوسون مائتي مرة فقط.
- T-15 هو مفاعل اليوم مزود بملف لولبي فائق التوصيل يعطي قوة مجال تبلغ 3.6 تسلا.
- ليبيا
- TM-4A
روابط
- إ.ب. فيليخوف. إس في. ميرنوفيصل الاندماج النووي الحراري المتحكم فيه إلى امتداد المنزل (PDF). معهد ترينيتي للابتكار والبحوث النووية الحرارية. الروسية مركز العلوم"معهد كورشاتوف".. ac.ru. - العرض الشعبي للمشكلة.. مؤرشفة من الأصلي في 5 فبراير 2012. تم الاسترجاع 8 أغسطس، 2007.
- ك. لويلين سميث.في الطريق إلى الطاقة النووية الحرارية. مواد المحاضرة التي ألقيت في 17 مايو 2009 في FIAN.
- سيتم إجراء تجربة كبرى على الاندماج النووي الحراري في الولايات المتحدة الأمريكية.
أنظر أيضا
ملحوظات
- Bondarenko B. D. "دور O. A. Lavrentiev في إثارة السؤال وبدء البحث حول الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية" // UFN 171 , 886 (2001).
- مراجعة بقلم أ.د. ساخاروف، منشورة في قسم “من أرشيف الرئيس الاتحاد الروسي" UFN 171 ، 902 (2001)، ص 908.
- المجتمع العلمي لعلماء الفيزياء في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية. الخمسينيات والستينيات. وثائق، ذكريات، أبحاث/ تم تجميعه وتحريره بواسطة P. V. Vizgin و A. V. Kessenich. - سانت بطرسبرغ. : RGHA، 2005. - T. I. - ص 23. - 720 ص. - 1000 نسخة.
- استخدمت الذخائر النووية الحرارية الأمريكية المبكرة أيضًا ديوتريد الليثيوم الطبيعي، والذي يحتوي بشكل أساسي على نظير الليثيوم ذو العدد الكتلي 7. كما أنه بمثابة مصدر للتريتيوم، ولكن لهذا يجب أن تكون للنيوترونات المشاركة في التفاعل طاقة تبلغ 10 ميغا إلكترون فولت أو أعلى.
- محطات الطاقة النووية الحرارية ذات الدورة الخالية من النيوترونات (على سبيل المثال، D + 3 He → p + 4 He + 18.353 MeV) مع مولد MHD يستخدم البلازما ذات درجة الحرارة العالية؛
- E. P. Velikhov، S. V. Putvinskyمفاعل الانصهار. فورنيت (22 أكتوبر 1999). - تقرير بتاريخ 22/10/1999 تم تنفيذه في إطار مركز الطاقة التابع لاتحاد العلماء العالمي. مؤرشفة من الأصلي في 5 فبراير 2012. تم الاسترجاع 16 يناير، 2011.
- (باللغة الإنجليزية) حاشية لاحقة: الاندماج النووي، 2003
- EFDA | اتفاقية تطوير الاندماج الأوروبي
- توري سوبرا
- مفاعل توكاماك للاختبار الاندماجي
- نظرة عامة على مختبر فيزياء البلازما في برينستون
- مركز معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لعلوم البلازما والانصهار: بحث>الكاتور>
- الصفحة الرئيسية - موقع فيوجن
- أبحاث البلازما الانصهار
- الشمس الاصطناعية-中安在线-الإنجليزية
- المفاعل النووي الحراري خرج من الصفر - صحيفة. رو
- معلومات عن فيلم "الرجل العنكبوت 2" - سينما "الكون"
| التكنولوجيا النووية | |
|---|---|
| هندسة | |
| مواد | |
| الطاقة النووية | |
| الطب النووي | |
| الأسلحة النووية | |
| طاقة هيكل حسب المنتجات والصناعات |
||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| صناعة الطاقة الكهربائية: كهرباء |
| |||||||||||||||||||||||||
من بين المصادر الأربعة الرئيسية للطاقة النووية، تم الآن استخدام مصدرين فقط في التنفيذ الصناعي: يتم استخدام طاقة التحلل الإشعاعي في مصادر الطاقة، ويتم استخدام التفاعل المتسلسل الانشطاري في المفاعلات النووية. المصدر الثالث للطاقة النووية هو الإبادة الجسيمات الأوليةحتى غادر عالم الخيال. المصدر الرابع هو اندماج نووي حراري متحكم فيه اندماج نووي حراري متحكم فيهعلى جدول الأعمال. ورغم أن هذا المصدر أقل إمكانات من الثالث، إلا أنه يفوق الثاني بشكل ملحوظ.
من السهل جدًا إجراء الاندماج النووي الحراري في ظروف المختبر، لكن إعادة إنتاج الطاقة لم يتم تحقيقها بعد. ومع ذلك، فإن العمل في هذا الاتجاه يجري، ويتم تطوير تقنيات الكيمياء الإشعاعية، أولا وقبل كل شيء، تقنيات إنتاج وقود التريتيوم لمنشآت CTS.
يتناول هذا الفصل بعض الجوانب الكيميائية الإشعاعية للاندماج النووي الحراري ويناقش احتمالات استخدام منشآت الاندماج المتحكم فيه في الطاقة النووية.
التحكم في الاندماج النووي الحراري- تفاعل اندماج النوى الذرية الخفيفة في النوى الأثقل، والذي يحدث عند درجات حرارة عالية جدًا ويصاحبه إطلاق كميات هائلة من الطاقة. وعلى عكس الاندماج النووي الحراري المتفجر (المستخدم في القنبلة الهيدروجينية)، فإنه يتم التحكم فيه. في التفاعلات النووية الرئيسية التي من المقرر استخدامها لتنفيذ الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة، سيتم استخدام -H و3 H، وعلى المدى الطويل، 3 He و"B".
ترتبط الآمال في تحقيق اندماج نووي حراري متحكم فيه بحالتين: 1) يُعتقد أن النجوم موجودة بسبب تفاعل نووي حراري ثابت، و2) اندماج نووي حراري غير متحكم فيه العملية النوويةتمكنت من تنفيذها بكل بساطة في انفجار قنبلة هيدروجينية. يبدو أنه لا توجد عقبة أساسية أمام الحفاظ على تفاعل الاندماج النووي الخاضع للرقابة. ومع ذلك، فإن المحاولات المكثفة لتطبيق CTS في ظروف المختبر مع الحصول على مكاسب الطاقة انتهت بالفشل التام.
ومع ذلك، يُنظر إلى نظام CVT الآن على أنه حل تكنولوجي مهم يهدف إلى استبدال الوقود الأحفوري في إنتاج الطاقة. إن الطلب العالمي على الطاقة، والذي يتطلب زيادة إنتاج الكهرباء واستنزاف المواد الخام غير المتجددة، يحفز البحث عن حلول جديدة.
تستخدم المفاعلات النووية الحرارية الطاقة الناتجة عن اندماج النوى الذرية الخفيفة. نابويميو:
يعد التفاعل الاندماجي لنواة التريتيوم والديوتيريوم واعدًا للاندماج النووي الحراري المتحكم به، نظرًا لأن مقطعه العرضي كبير جدًا حتى في الطاقات المنخفضة. يوفر رد الفعل هذا محددًا القيمة الحرارية 3.5-11 ي/جم. التفاعل الرئيسي D+T=n+a له أكبر مقطع عرضي اوه اه=5 الحظيرة في الرنين في طاقة الديوترون E pSh x= 0.108 MeV، مقارنة بالتفاعلات D+D=n+3He a,″ a *=0.i05 barn; إي ماكس = 1.9 مليون إلكترون فولت، D+D=p+T حول تاه = 0.09 حظيرة إي ماكس = 2.0 MeV، وكذلك مع التفاعل 3He+D=p+a a m ax=0.7 barn؛ يوتاه= 0.4 ميجا فولت. يطلق التفاعل الأخير 18.4 MeV. في التفاعل (3) مجموع الطاقات ع + أتساوي 17.6 ميجا إلكترون فولت، وهي طاقة النيوترونات الناتجة؟ ‹=14.1 ميجا إلكترون فولت؛ وطاقة جسيمات ألفا الناتجة هي 3.5 ميغا إلكترون فولت. إذا كانت الأصداء في التفاعلات T(d,n)a و:) He(d,p)a ضيقة جدًا، ففي التفاعلات D(d,n)3He وD(d,p)T هناك رنين واسع جدًا الرنين ذو المقاطع العرضية ذات القيم الكبيرة في المنطقة من 1 إلى 10 ميجا فولت وزيادة خطية من 0.1 ميجا فولت إلى 1 ميجا فولت.
تعليق. المشاكل المتعلقة بوقود DT سهل الاشتعال هي أن التريتيوم لا يتواجد بشكل طبيعي ويجب إنتاجه من الليثيوم في الغطاء المولد لمفاعل الاندماج. التريتيوم مشع (Ti/ 2 = 12.6 سنة)، ويحتوي نظام مفاعل DT على من 10 إلى 10 كجم من التريتيوم؛ يتم إطلاق 80% من الطاقة في تفاعل DT مع 14 نيوترونًا MeV، مما يؤدي إلى نشاط إشعاعي صناعي في هياكل المفاعل ويسبب أضرارًا إشعاعية.
في الشكل. ويبين الشكل 1 اعتماد الطاقة في المقاطع العرضية للتفاعل (1 - ح). الرسوم البيانية للمقاطع العرضية للتفاعلات (1) و (2) هي نفسها تقريبًا - مع زيادة الطاقة، يزداد المقطع العرضي وفي الطاقات العالية يميل احتمال التفاعل إلى قيمة ثابتة. يزداد المقطع العرضي للتفاعل (3) أولاً، ويصل إلى حد أقصى قدره 10 بارن عند طاقات في حدود 90 MeV، ثم يتناقص مع زيادة الطاقة.
أرز. 1. المقاطع العرضية لبعض التفاعلات النووية الحرارية كدالة للطاقة الجسيمية في مركز النظام الكتلي: 1- التفاعل النووي (3)؛ 2- ردود الفعل (1) و (2).
نظرًا للمقطع العرضي الكبير للتشتت عند قصف نوى التريتيوم بالديوترونات المتسارعة، يمكن أن يكون توازن الطاقة في عملية الاندماج النووي الحراري في تفاعل D - T سلبيًا، لأن يتم إنفاق المزيد من الطاقة في تسريع الديوترونات مقارنة بما يتم إطلاقه أثناء الاندماج. من الممكن تحقيق توازن إيجابي في الطاقة إذا تم قصف الجزيئات بعد ذلك تصادم مرنسوف تكون قادرة على المشاركة في رد الفعل مرة أخرى. للتغلب على التنافر الكهربائي، يجب أن تتمتع النواة بطاقة حركية عالية. يمكن إنشاء هذه الظروف في البلازما ذات درجة الحرارة العالية، حيث تكون الذرات أو الجزيئات في حالة مؤينة بالكامل. على سبيل المثال، يبدأ تفاعل الاندماج D-T بالحدوث فقط عند درجات حرارة أعلى من 100 8 كلفن. فقط عند درجات الحرارة هذه يتم إطلاق طاقة أكبر لكل وحدة حجم ولكل وحدة زمنية مما يتم إنفاقه نظرًا لأن تفاعل الاندماج D-T يمثل حوالي 105 تصادمات نووية عادية، فإن تتكون مشكلة CTS من حل مشكلتين: تسخين المادة إلى درجات الحرارة المطلوبة والاحتفاظ بها لفترة كافية "لحرق" جزء ملحوظ من الوقود النووي الحراري.
من المعتقد أنه يمكن تحقيق الاندماج النووي الحراري المتحكم فيه إذا تم استيفاء معيار لوسون (m>10'4 s cm-3، حيث ع -كثافة البلازما ذات درجة الحرارة المرتفعة، ر - وقت الاحتفاظ بها في النظام).
عند استيفاء هذا المعيار، فإن الطاقة المنطلقة أثناء CTS تتجاوز الطاقة المدخلة إلى النظام.
يجب أن تبقى البلازما ضمن حجم معين، لأنه في الفضاء الحر تتوسع البلازما على الفور. بسبب ارتفاع درجات الحرارة، لا يمكن وضع البلازما في خزان من أي
مادة. لاحتواء البلازما، من الضروري استخدام مجال مغناطيسي عالي الكثافة، والذي يتم إنشاؤه باستخدام مغناطيس فائق التوصيل.
أرز. 2. رسم تخطيطي للتوكاماك.
إذا لم تحدد هدف الحصول على مكاسب الطاقة، فمن السهل جدًا تنفيذ CTS في ظروف المختبر. للقيام بذلك، يكفي خفض أمبولة من ديوتريد الليثيوم في قناة أي مفاعل بطيء يعمل على تفاعل انشطار اليورانيوم (يمكنك استخدام الليثيوم بتركيبة نظائرية طبيعية (7٪ 6 Li)، لكن من الأفضل إذا وهو غني بالنظير المستقر 6 Li). تحت تأثير النيوترونات الحرارية يحدث التفاعل النووي التالي:
ونتيجة لهذا التفاعل تظهر ذرات التريتيوم "الساخنة". طاقة ذرة الارتداد التريتيوم (~ 3 MeV) كافية لحدوث تفاعل التريتيوم مع الديوتيريوم الموجود في LiD:
هذه الطريقة غير مناسبة لأغراض الطاقة: تكاليف الطاقة للعملية تتجاوز الطاقة المنطلقة. ولذلك، علينا أن نبحث عن خيارات أخرى لتطبيق CTS، وهي الخيارات التي توفر مكاسب كبيرة من الطاقة.
إنهم يحاولون تنفيذ CTS مع كسب الطاقة إما في حالة شبه ثابتة (t>1 s، tg> ترى "أوه، أو في الأنظمة النبضية (t*io -8 ق، ن>ش 22 سم*ض). في الأول (توكاماك، ستيلاريتور، مصيدة المرآة، وما إلى ذلك)، يتم تنفيذ حبس البلازما والعزل الحراري في مجالات مغناطيسية ذات تكوينات مختلفة. في الأنظمة النبضية، يتم إنشاء البلازما عن طريق تشعيع هدف صلب (حبيبات خليط من الديوتيريوم والتريتيوم) بإشعاع مركّز من ليزر قوي أو حزم إلكترونية: عندما يضرب شعاع من الأهداف الصلبة الصغيرة التركيز، سلسلة متتالية من الانفجارات النووية الحرارية الدقيقة يحدث.
من بين الغرف المختلفة لحبس البلازما، تعد الغرفة ذات التكوين الحلقي واعدة. في هذه الحالة، يتم إنشاء البلازما داخل غرفة حلقية باستخدام تفريغ حلقة بدون إلكترود. في التوكاماك، التيار المستحث في البلازما يشبه الملف الثانوي للمحول. يتم إنشاء المجال المغناطيسي الذي يحمل البلازما بسبب التيار المتدفق عبر اللف حول الغرفة وبسبب التيار المستحث في البلازما. للحصول على بلازما مستقرة، يتم استخدام مجال مغناطيسي طولي خارجي.
المفاعل النووي الحراري هو جهاز لإنتاج الطاقة من خلال تفاعلات اندماج النوى الذرية الخفيفة التي تحدث في البلازما عند درجات حرارة عالية جدًا (> 10 8 كلفن). الشرط الرئيسي الذي يجب أن يلبيه مفاعل الاندماج هو الطاقة المنطلقة نتيجة لذلك
التفاعلات النووية الحرارية أكثر من تعويض تكاليف الطاقة من مصادر خارجية للحفاظ على التفاعل.
أرز. ح. المكونات الرئيسية لمفاعل الاندماج النووي الحراري المتحكم فيه.
يتكون المفاعل النووي الحراري من نوع TO-CAMAC (غرفة حلقية ذات ملفات مغناطيسية) من غرفة مفرغة تشكل قناة تدور فيها البلازما، ومغناطيس ينشئ مجالًا، وأنظمة تسخين البلازما. يتم إرفاق مضخات التفريغ التي تضخ الغازات باستمرار خارج القناة، ونظام توصيل الوقود أثناء احتراقه، ومحول - نظام يتم من خلاله إزالة الطاقة التي تم الحصول عليها نتيجة للتفاعل النووي الحراري من المفاعل. البلازما الحلقية موجودة في غلاف مفرغ. أ-الجزيئات المتكونة في البلازما نتيجة الاندماج النووي الحراري والموجودة فيها تزيد من درجة حرارتها. تخترق النيوترونات جدار الحجرة المفرغة إلى منطقة الغطاء الذي يحتوي على الليثيوم السائل أو مركب الليثيوم المخصب بـ 6 Li. عند التفاعل مع الليثيوم، يتم تحويل الطاقة الحركية للنيوترونات إلى حرارة، ويتم توليد التريتيوم في نفس الوقت. يتم وضع البطانية في غلاف خاص يحمي المغناطيس من هروب النيوترونات والإشعاع y وتدفقات الحرارة.
في التركيبات من نوع توكاماك، يتم إنشاء البلازما داخل غرفة حلقية باستخدام تفريغ حلقة بدون إلكترود. لهذا الغرض، يتم إنشاء تيار كهربائي في جلطة البلازما، وفي الوقت نفسه يقوم بتطوير مجال مغناطيسي خاص به - تصبح جلطة البلازما نفسها مغناطيسًا. الآن باستخدام الخارجية المجال المغنطيسيمع تكوين معين، من الممكن تعليق سحابة البلازما في وسط الغرفة، دون السماح لها بالتلامس مع الجدران.
المحول - مجموعة من الأجهزة (ملفات مغناطيسية خاصة، ألواح ملامسة للبلازما - مُعادلات البلازما)، والتي يتم من خلالها إزالة منطقة الاتصال المباشر للجدار بالبلازما إلى أقصى حد من البلازما الساخنة الرئيسية. يتم استخدامه لإزالة الحرارة من البلازما على شكل تيار من الجزيئات المشحونة وضخ منتجات التفاعل المعادلة على ألواح المحول: الهيليوم والبروتيوم. ينظف البلازما من الملوثات التي تتداخل مع تفاعل التوليف.
يتميز المفاعل النووي الحراري بعامل تضخيم الطاقة يساوي نسبة الطاقة الحرارية للمفاعل إلى تكلفة الطاقة لإنتاجه. تضاف الطاقة الحرارية للمفاعل إلى:
- - من الطاقة المنبعثة أثناء التفاعل النووي الحراري في البلازما؛
- - من الطاقة التي يتم إدخالها إلى البلازما للحفاظ على درجة حرارة احتراق التفاعل النووي الحراري أو التيار الثابت في البلازما؛
- - من الطاقة المنطلقة في البطانية - غلاف يحيط بالبلازما تستخدم فيه طاقة النيوترونات النووية الحرارية ويعمل على حماية الملفات المغناطيسية من التعرض للإشعاع. بطانية مفاعل الاندماج - أحد الأجزاء الرئيسية للمفاعل النووي الحراري، وهو عبارة عن غلاف خاص يحيط بالبلازما تحدث فيه التفاعلات النووية الحرارية التفاعلات النوويةوالذي يعمل على الاستفادة من طاقة النيوترونات النووية الحرارية.
تغطي البطانية حلقة البلازما من جميع الجوانب، وتقوم ناقلات الطاقة الرئيسية المنتجة أثناء اندماج D-T - نيوترونات 14 ميجا فولت - بإطلاقها إلى البطانية، مما يؤدي إلى تسخينها، وتحتوي البطانية على مبادلات حرارية يتم من خلالها تمرير الماء عند التوكاماك أثناء تشغيله، يحتوي في محطة توليد الكهرباء على تدوير البخار لتوربينة بخارية، كما يقوم بتدوير دوار المولد.
وتتمثل المهمة الرئيسية للبطانية في جمع الطاقة وتحويلها إلى حرارة ونقلها إلى أنظمة توليد الطاقة، فضلا عن حماية المشغلين و بيئةمن الإشعاعات المؤينة الناتجة عن مفاعل نووي حراري. توجد خلف الغطاء في المفاعل النووي الحراري طبقة من الحماية من الإشعاع، وتتمثل وظائفها في زيادة إضعاف تدفق النيوترونات والكميات y المتكونة أثناء التفاعلات مع المادة لضمان تشغيل النظام الكهرومغناطيسي. ويلي ذلك الحماية البيولوجية، والتي يمكن أن يتبعها العاملون في المصنع.
تم تصميم مربي البطانيات "النشط" لإنتاج أحد مكونات الوقود النووي الحراري. في المفاعلات التي تستهلك التريتيوم، يتم تضمين المواد المولدة (مركبات الليثيوم) في الغطاء لضمان إنتاج التريتيوم بكفاءة.
عند تشغيل مفاعل نووي حراري باستخدام وقود الديوتيريوم-التريتيوم، من الضروري تجديد كمية الوقود (D+T) في المفاعل وإزالة 4He من البلازما. نتيجة للتفاعلات في البلازما، يحترق التريتيوم، ويتم نقل الجزء الرئيسي من طاقة الاندماج إلى النيوترونات، والتي تكون البلازما شفافة بالنسبة لها. وهذا يؤدي إلى ضرورة وضع منطقة خاصة بين البلازما والنظام الكهرومغناطيسي، يتم فيها إعادة إنتاج التريتيوم المحترق وامتصاص الجزء الأكبر من طاقات النيوترونات. هذه المنطقة تسمى بطانية المربي. إنه يستنسخ التريتيوم المحترق في البلازما.
يمكن إنتاج التريتيوم الموجود في البطانية عن طريق تشعيع الليثيوم بتدفق النيوترونات من خلال التفاعلات النووية: 6 Li(n,a)T+4.8 MeV و7 Li(n,n’a) - 2.4 MeV.
عند إنتاج التريتيوم من الليثيوم، ينبغي الأخذ في الاعتبار أن الليثيوم الطبيعي يتكون من نظيرين: 6 Li (7.52%) و7 Li (92.48%). المقطع العرضي لامتصاص النيوترون الحراري النقي 6 Li 0 = 945 بارن، ومقطع التنشيط للتفاعل (p,p) هو 0.028 بارن. وبالنسبة لليثيوم الطبيعي فإن المقطع العرضي لإزالة النيوترونات المنتجة أثناء انشطار اليورانيوم يساوي 1.01 بارن، والمقطع العرضي لامتصاص النيوترونات الحرارية = 70.4 بارن.
تتميز أطياف الطاقة للإشعاع y أثناء الالتقاط الإشعاعي للنيوترونات الحرارية 6 Li بالقيم التالية: متوسط طاقة y-quanta المنبعثة لكل نيوترون ممتص، في نطاق الطاقة 6^-7 MeV = 0.51 MeV، في الطاقة النطاق 7-r8 MeV - 0.94 MeV. إجمالي الطاقة
في مفاعل نووي حراري يعمل بالطاقة وقود دي تي، نتيجة لرد الفعل:
الإشعاع y لكل نيوترون ملتقط هو 1.45 MeV. بالنسبة لـ 7 Li، يكون مقطع الامتصاص 0.047 بارن، والمقطع العرضي للتنشيط 0.033 بارن (عند طاقات نيوترونية أعلى من 2.8 ميجا فولت). المقطع العرضي لاستخراج النيوترونات الانشطارية LiH التركيبة الطبيعية=1.34 بارن، معدن Li - 1.57 بارن، LiF - 2.43 بارن.
تتشكل النيوترونات النووية الحرارية، التي تخرج من حجم البلازما، وتدخل المنطقة الشاملة التي تحتوي على الليثيوم والبريليوم، حيث تحدث التفاعلات التالية:
وبالتالي، فإن المفاعل النووي الحراري سوف يحرق الديوتيريوم والليثيوم، ونتيجة للتفاعلات، سيتم تشكيل غاز الهيليوم الخامل.
في تفاعلات D-Tيحترق التريتيوم في البلازما وينتج نيوترون بطاقة 14.1 MeV. وفي البطانية، من الضروري أن يقوم هذا النيوترون بتوليد ذرة تريتيوم واحدة على الأقل لتغطية خسائره في البلازما. معدل تكاثر التريتيوم ل(تعتمد كمية التريتيوم المتكون في الغطاء لكل نيوترون نووي حراري حادث) على طيف النيوترونات في الغطاء، وحجم امتصاص النيوترونات وتسربها. ومع تغطية البلازما بنسبة 0٪ بالبطانية، فإن القيمة ك> 1,05.
أرز. الشكل. 4. اعتماد المقطع العرضي للتفاعلات النووية لتكوين التريتيوم على طاقة النيوترون: 1 - التفاعل 6 Li(n,t)'»He, 2 - التفاعل 7 Li(n,n',0 4 He.
تحتوي نواة 6 Li على مقطع عرضي لامتصاص كبير جدًا للنيوترونات الحرارية مع تكوين التريتيوم (953 حظيرة عند 0.025 فولت). عند الطاقات المنخفضة، يتبع المقطع العرضي لامتصاص النيوترونات في Li قانون (l/u) وفي حالة الليثيوم الطبيعي تصل قيمة 71 بارن للنيوترونات الحرارية. بالنسبة لـ 7 Li، يبلغ المقطع العرضي للتفاعل مع النيوترونات 0.045 بارن فقط. لذلك، لزيادة إنتاجية المربي، ينبغي إثراء الليثيوم الطبيعي بنظير 6 Li. ومع ذلك، فإن الزيادة في محتوى 6 Li في خليط من النظائر لها تأثير ضئيل على معامل تكاثر التريتيوم: هناك زيادة بنسبة 5٪ مع زيادة في إثراء نظير 6 Li إلى 50٪ في الخليط. في التفاعل 6 Li(n, T) "لن يتم امتصاص جميع النيوترونات المتباطئة. بالإضافة إلى الامتصاص القوي في المنطقة الحرارية، هناك امتصاص صغير (
يظهر في الشكل اعتماد المقطع العرضي للتفاعل 6 Li(n,T) 4 He على طاقة النيوترونات. 7. كما هو معتاد في العديد من التفاعلات النووية الأخرى، فإن المقطع العرضي للتفاعل 6 Li(n,f) 4 يتناقص مع زيادة طاقة النيوترون (باستثناء الرنين عند طاقة قدرها 0.25 MeV).
يحدث التفاعل مع تكوين التريتيوم على النظير مع النيوترونات السريعة عند طاقة ≥2.8 MeV. في رد الفعل هذا
يتم إنتاج التريتيوم ولا يوجد فقدان للنيوترونات.
لا يمكن للتفاعل النووي مع 6 Li أن ينتج إنتاجًا موسعًا للتريتيوم ويعوض فقط التريتيوم المحترق
يؤدي التفاعل إلى 1l إلى ظهور نواة تريتيوم واحدة لكل نيوترون ممتص وتجديد هذا النيوترون، والذي يتم بعد ذلك امتصاصه عند التباطؤ وينتج نواة تريتيوم أخرى.
تعليق. في Li الطبيعي، معدل تكاثر التريتيوم هو ل"2. بالنسبة إلى Li، LiFBeF 2، Li 2 0، LiF، Y ^ Pbz ك = 2.0; 0.95؛ 1.1; 1.05 وi.6 على التوالي. الملح المنصهر LiF (66%) + BeF2 (34%) يسمى flyb ( فليبي)، ويفضل استخدامه بسبب شروط السلامة وتقليل خسائر التريتيوم.
وبما أنه ليس كل نيوترون من تفاعل D-T يشارك في تكوين ذرة التريتيوم، فمن الضروري مضاعفة النيوترونات الأولية (14.1 MeV) باستخدام تفاعل (n, 2n) أو (n, sn) على العناصر التي لها تقاطع كبير بما فيه الكفاية قسم خاص بتفاعل النيوترونات السريعة مثلا على Be وPb وMo وNb والعديد من المواد الأخرى مع ض> 25. لعتبة البريليوم (ن، 2 ع)ردود الفعل 2.5 ميغا إلكترون فولت؛ عند 14 ميغا إلكترون فولت 0=0.45 بارن. ونتيجة لذلك، يمكن تحقيق ذلك في الإصدارات الشاملة التي تحتوي على الليثيوم السائل أو السيراميكي (LiA10 2). ل* 1.1+1.2. في حالة إحاطة غرفة المفاعل بغطاء من اليورانيوم، يمكن زيادة تكاثر النيوترونات بشكل ملحوظ بسبب التفاعلات الانشطارية وتفاعلات (n, 2n)، (n, zl).
الملاحظة 1. النشاط المستحث للليثيوم أثناء التشعيع بالنيوترونات غائب عمليًا، نظرًا لأن النظير المشع الناتج 8 Li (إشعاع cr بطاقة تبلغ 12.7 MeV و/-إشعاع بطاقة ~6 MeV) له نصف قصير جدًا -الحياة - 0.875 ثانية. إن انخفاض تنشيط الليثيوم ونصف عمره القصير يسهل الحماية الحيوية للنبات.
الملاحظة 2. يبلغ نشاط التريتيوم الموجود في غطاء مفاعل DT النووي الحراري ~*10 6 Ci، لذا فإن استخدام وقود DT لا يستبعد الاحتمال النظري لوقوع حادث على مقياس عدة بالمائة من حادث تشيرنوبيل ( كان الإصدار 510 7 Ci). يمكن أن يؤدي إطلاق التريتيوم مع تكوين T 2 0 إلى تساقط إشعاعي، ودخول التريتيوم إلى المياه الجوفية، والخزانات، والكائنات الحية، والنباتات المتراكمة، في نهاية المطاف، في المنتجات الغذائية.
اختيار المواد و حالة التجميعالمربي هو مشكلة خطيرة. يجب أن تضمن المادة المولدة نسبة عالية من تحويل الليثيوم إلى التريتيوم وسهولة استخلاص الأخير لنقله لاحقًا إلى نظام تحضير الوقود.
تشمل الوظائف الرئيسية لبطانية المربي ما يلي: تشكيل غرفة البلازما؛ إنتاج التريتيوم بمعامل k>i؛ تحويل الطاقة الحركيةالنيوترون إلى حرارة؛ استعادة الحرارة المتولدة في الغطاء أثناء تشغيل مفاعل نووي حراري؛ الحماية من الإشعاع للنظام الكهرومغناطيسي. الحماية البيولوجية ضد الإشعاع.
يمكن أن يكون المفاعل النووي الحراري الذي يستخدم وقود D-T، اعتمادًا على مادة الغطاء، "نقيًا" أو هجينًا. تحتوي طبقة المفاعل النووي الحراري "النقي" على Li، حيث يتم إنتاج التريتيوم تحت تأثير النيوترونات ويتم تعزيز التفاعل النووي الحراري من 17.6 ميغا إلكترون فولت إلى 22.4
MeV. في غطاء المفاعل النووي الحراري الهجين ("النشط")، لا يتم إنتاج التريتيوم فحسب، بل هناك أيضًا مناطق يتم فيها وضع النفايات 239Pi وإنتاج 239Pi. في هذه الحالة، يتم إطلاق طاقة تساوي 140 ميجا فولت لكل نيوترون في البطانية. إن كفاءة استخدام الطاقة في مفاعل الاندماج الهجين أعلى بست مرات من كفاءة الطاقة في المفاعل النقي. وفي الوقت نفسه، يتم تحقيق امتصاص أفضل للنيوترونات النووية الحرارية، مما يزيد من سلامة التثبيت. ومع ذلك، فإن وجود المواد المشعة الانشطارية يخلق بيئة إشعاعية مماثلة لتلك الموجودة في مفاعلات الانشطار النووي.
أرز. 5.
هناك مفهومان لبطانية التكاثر النقي يعتمدان على استخدام مواد تربية التريتيوم السائل، أو على استخدام المواد الصلبة التي تحتوي على الليثيوم. ترتبط خيارات تصميم البطانيات بنوع سائل التبريد المختار (معدن سائل، ملح سائل، غاز، عضوي، ماء) وفئة المواد الإنشائية الممكنة.
في النسخة السائلة من البطانية، الليثيوم هو المبرد، والتريتيوم هو المادة التكاثرية. يتكون قسم البطانية من الجدار الأول، ومنطقة متكاثرة (ملح الليثيوم المنصهر، وعاكس (فولاذ أو تنجستن) ومكون حماية للضوء (على سبيل المثال، هيدريد التيتانيوم). السمة الرئيسية لبطانية الليثيوم ذاتية التبريد هي عدم وجودها من وسيط إضافي ومضاعف للنيوترونات في بطانية مع مربي سائل يمكنك استخدام الأملاح التالية: Li 2 BeF 4 (. تي ر = 459°)، LiBeF 3 ( توكس .=380°)، FLiNaBe (7^=305-320°). من بين الأملاح المذكورة أعلاه، Li 2 BeF 4 لديه أقل لزوجة، ولكن أعلى لزوجة تول.يذوب Prospect Pb-Li سهل الانصهار وFLiNaBe، والذي يعمل أيضًا كمبرد ذاتي. ومضاعفات النيوترون في مثل هذا المولد عبارة عن حبيبات كروية يبلغ قطرها 2 مم.
في بطانية ذات مربي صلب، يتم استخدام السيراميك المحتوي على الليثيوم كمواد متكاثرة، ويعمل البريليوم كمضاعف للنيوترونات. يتضمن تكوين هذه البطانية عناصر مثل الجدار الأول مع مجمعات سائل التبريد؛ منطقة تكاثر النيوترونات؛ منطقة إنتاج التريتيوم؛ قنوات التبريد لمناطق تربية وتكاثر التريتيوم؛ حماية الماء الحديدي عناصر تثبيت البطانية؛ خطوط توريد وتفريغ غاز التبريد وغاز التريتيوم الحامل. المواد الإنشائية هي سبائك الفاناديوم والفولاذ من فئة الحديدي أو الحديدي المارتنسيتي. الحماية من الإشعاع مصنوعة من صفائح الفولاذ. المبرد المستخدم هو غاز الهيليوم تحت ضغط yMPa مع درجة حرارة مدخل تبلغ 300 درجة مئوية ودرجة حرارة سائل تبريد مخرج تبلغ 650 درجة مئوية.
وتتمثل المهمة الكيميائية الإشعاعية في عزل التريتيوم وتنقيته وإعادته إلى دورة الوقود. في هذه الحالة، يعد اختيار المواد الوظيفية لأنظمة تجديد مكونات الوقود (المواد المولدة) أمرًا مهمًا. يجب أن تضمن مادة المولد إزالة طاقة الاندماج النووي الحراري وتوليد التريتيوم واستخراجه الفعال لتنقيته وتحويله لاحقًا إلى وقود مفاعل. ولهذا الغرض، يلزم وجود مادة ذات درجة حرارة عالية وإشعاع ومقاومة ميكانيكية. لا تقل أهمية عن خصائص انتشار المادة، والتي تضمن حركة عالية للتريتيوم، ونتيجة لذلك، كفاءة جيدة لاستخراج التريتيوم من مادة المولد في درجات حرارة منخفضة نسبيًا.
يمكن أن تكون المواد العاملة للبطانية: السيراميك Li 4 Si0 4 (أو Li 2 Ti0 3) - مادة متكاثرة والبريليوم - مضاعف النيوترونات. ويستخدم كل من المربي والبريليوم على شكل طبقة من الحصى أحادية التشتت (حبيبات ذات شكل قريب من الكروية). تختلف أقطار حبيبات Li 4 Si0 4 و Li 2 Ti0 3 في النطاقات من 0.2 إلى 10.6 ملم وحوالي 8 ملم على التوالي، ويبلغ قطر حبيبات البريليوم 1 ملم. تبلغ حصة الحجم الفعال للطبقة الحبيبية 63٪. لإعادة إنتاج التريتيوم، يتم إثراء مربي السيراميك بنظير 6 Li. مستوى التخصيب النموذجي 6 Li: 40% لـ Li 4 Si0 4 و70% لـ Li 2 Ti0 3.
حاليًا ، يعتبر ميتاتيتات الليثيوم 1L 2 TIu 3 هو الأكثر واعدة نظرًا للمعدل المرتفع نسبيًا لإطلاق التريتيوم عند درجات حرارة منخفضة نسبيًا (من 200 إلى 400 0) والمقاومة الإشعاعية والكيميائية. وقد ثبت أن حبيبات تيتانات الليثيوم، المخصبة إلى 96٪ 6 Li في ظل ظروف تشعيع النيوترونات المكثفة والتأثيرات الحرارية، تجعل من الممكن توليد الليثيوم في غضون عامين بأقل تكلفة تقريبًا. سرعة ثابتة. يتم استخلاص التريتيوم من السيراميك المشعع بالنيوترونات عن طريق التسخين المبرمج للمادة المولدة في وضع الضخ المستمر.
من المفترض أنه في الصناعة النووية يمكن استخدام منشآت الاندماج النووي الحراري في ثلاثة مجالات:
- - المفاعلات الهجينة التي تحتوي غلافها على نويدات انشطارية (اليورانيوم والبلوتونيوم)، والتي يتم التحكم في انشطارها عن طريق تدفق قوي للنيوترونات عالية الطاقة (14 ميغا إلكترون فولت)؛
- - بادئات الاحتراق في المفاعلات دون الحرجة الإلكترونية؛
- - تحويل النويدات المشعة طويلة العمر الخطرة بيئيا لغرض التخلص من النفايات المشعة.
توفر الطاقة العالية للنيوترونات النووية الحرارية فرصًا كبيرة لفصل مجموعات الطاقة من النيوترونات لحرق نويدات مشعة معينة في منطقة الرنين من المقاطع العرضية.
الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة هو الأكثر إثارة للاهتمام العملية الجسدية، والتي (لا تزال من الناحية النظرية) يمكن أن تخلص العالم من اعتماد الطاقة على الوقود الأحفوري. تعتمد العملية على تخليق النوى الذرية من النوى الأخف إلى الأثقل مع إطلاق الطاقة. وخلافًا للاستخدام الآخر للذرة - إطلاق الطاقة منها في المفاعلات النووية من خلال عملية الاضمحلال - فإن الاندماج على الورق لن يترك أي منتجات ثانوية مشعة تقريبًا.
تحاكي مفاعلات الاندماج العملية النووية داخل الشمس، حيث تقوم بتحطيم الذرات الخفيفة معًا وتحولها إلى ذرات أثقل، مما يؤدي إلى إطلاق كميات هائلة من الطاقة على طول الطريق. على الشمس، هذه العملية مدفوعة بالجاذبية. على الأرض، يحاول المهندسون إعادة تهيئة الظروف اللازمة للاندماج النووي باستخدام درجات حرارة عالية للغاية - في حدود 150 مليون درجة - لكنهم يواجهون صعوبة في احتواء البلازما اللازمة لدمج الذرات.
أحد الحلول التي تم بناؤها يتمثل في ITER، المعروف سابقًا باسم المفاعل التجريبي النووي الحراري الدولي، والذي كان قيد الإنشاء منذ عام 2010 في كاراداتشيس، فرنسا. تم تأجيل التجارب الأولى، التي كان من المقرر إجراؤها في عام 2018، إلى عام 2025.
قبل بضعة أيام فقط أبلغنا أن الأول
رد فعل نووي حراري- هذا هو رد فعل اندماج النوى الخفيفة في النوى الأثقل.
لتنفيذه، من الضروري أن تقترب النيوكليونات الأصلية أو النوى الخفيفة من مسافات تساوي أو تقل عن نصف قطر مجال عمل قوى الجذب النووية (أي لمسافات تتراوح بين 10 -15 م). يتم منع هذا النهج المتبادل بين النوى من خلال قوى كولومب التنافرية التي تعمل بين النوى المشحونة إيجابياً. لكي يحدث تفاعل اندماجي، من الضروري تسخين مادة ذات كثافة عالية إلى درجات حرارة عالية جدًا (في حدود مئات الملايين من الكلفن) حتى تتحرر الطاقة الحركية الحركة الحراريةكانت النوى كافية للتغلب على قوى كولومب الطاردة. وفي مثل هذه درجات الحرارة، توجد المادة على شكل بلازما. وبما أن الاندماج النووي لا يمكن أن يحدث إلا عند درجات حرارة عالية جدًا، فإن تفاعلات الاندماج النووي تسمى التفاعلات النووية الحرارية (من الكلمة اليونانية. الحرارية"الدفء والحرارة").
تطلق التفاعلات النووية الحرارية طاقة هائلة. على سبيل المثال، في تفاعل تخليق الديوتيريوم مع تكوين الهيليوم
\(~^2_1D + \ ^2_1D \to \ ^3_2He + \ ^1_0n\)
يتم إطلاق 3.2 MeV من الطاقة. في تفاعل تخليق الديوتيريوم مع تكوين التريتيوم
\(~^2_1D + \ ^2_1D \to \ ^3_1T + \ ^1_1p\)
تم إطلاق 4.0 MeV من الطاقة، وفي التفاعل
\(~^2_1D + \ ^3_1T \to \ ^4_2He + \ ^1_0n\)
تم إطلاق 17.6 MeV من الطاقة.
أرز. 1. مخطط تفاعل الديوتيريوم والتريتيوم
في الوقت الحالي، يتم إجراء تفاعل نووي حراري يتم التحكم فيه عن طريق تخليق الديوتيريوم \(~^2H\) والتريتيوم \(~^3H\). ينبغي أن تستمر احتياطيات الديوتيريوم لملايين السنين، كما أن احتياطيات الليثيوم المستخرجة بسهولة (لإنتاج التريتيوم) تكفي لتلبية الاحتياجات لمئات السنين.
ومع ذلك، خلال هذا التفاعل، فإن الأغلبية (أكثر من 80٪) من الطاقة الحركية المنطلقة تأتي من النيوترون. ونتيجة لاصطدام الشظايا مع ذرات أخرى، تتحول هذه الطاقة إلى طاقة حرارية. بالإضافة إلى ذلك، تخلق النيوترونات السريعة كمية كبيرة من النفايات المشعة.
لذلك، فإن التفاعلات الواعدة هي "الخالية من النيوترونات"، على سبيل المثال، الديوتيريوم + الهيليوم -3.
\(~D + \ ^3He \to \ ^4He + p\)
لا يحتوي هذا التفاعل على ناتج نيوتروني، مما يزيل جزءًا كبيرًا من الطاقة ويولد نشاطًا إشعاعيًا مستحثًا في تصميم المفاعل. بالإضافة إلى ذلك، تتراوح احتياطيات الهيليوم -3 على الأرض من 500 كجم إلى 1 طن، ولكن على القمر توجد بكميات كبيرة: ما يصل إلى 10 ملايين طن (حسب الحد الأدنى من التقديرات - 500 ألف طن). وفي الوقت نفسه، يمكن إنتاجه بسهولة على الأرض من الليثيوم 6، المنتشر بطبيعته، باستخدام مفاعلات الانشطار النووي الموجودة.
الأسلحة النووية الحرارية
على الأرض، تم تنفيذ أول تفاعل نووي حراري أثناء انفجار قنبلة هيدروجينية في 12 أغسطس 1953 في موقع اختبار سيميبالاتينسك. "والدها" كان الأكاديمي أندريه ديميترييفيتش ساخاروف، الذي حصل على لقب البطل ثلاث مرات العمل الاشتراكيلتطوير الأسلحة النووية الحرارية. تم الحصول على درجة الحرارة العالية المطلوبة لبدء التفاعل النووي الحراري في قنبلة هيدروجينية نتيجة انفجار أحد مكوناتها القنبلة الذرية، لعب دور المفجر. التفاعلات النووية الحرارية التي تحدث أثناء انفجارات القنابل الهيدروجينية لا يمكن السيطرة عليها.
أرز. 2. القنبلة الهيدروجينية
أنظر أيضا
التفاعلات النووية الحرارية الخاضعة للرقابة
إذا كان في الظروف الأرضيةإذا كان من الممكن إجراء تفاعلات نووية حرارية يتم التحكم فيها بسهولة، فستحصل البشرية على مصدر طاقة لا ينضب تقريبا، لأن احتياطيات الهيدروجين على الأرض هائلة. ومع ذلك، هناك صعوبات تقنية كبيرة تقف في طريق تنفيذ التفاعلات النووية الحرارية الخاضعة للرقابة والملائمة للطاقة. بادئ ذي بدء، من الضروري إنشاء درجات حرارة حوالي 10 8 ك درجات حرارة عاليةيمكن الحصول عليها عن طريق إنشاء تفريغات كهربائية عالية الطاقة في البلازما.
توكاماك
يتم استخدام هذه الطريقة في التركيبات من نوع "توكاماك" (غرفة TORIODOAL مع ملفات مغناطيسية)، التي تم إنشاؤها لأول مرة في المعهد الطاقة الذريةهم. آي في كورتشاتوفا. في مثل هذه التركيبات، يتم إنشاء البلازما في غرفة حلقية، وهي عبارة عن ملف ثانوي لمحول نبضي قوي. يتم توصيل ملفها الأساسي ببنك من المكثفات ذات السعة الكبيرة جدًا. الغرفة مليئة بالديوتيريوم. عندما يتم تفريغ بطارية من المكثفات من خلال الملف الأولي في غرفة حلقية، يتم إثارة مجال كهربائي دوامي، مما يسبب تأين الديوتيريوم وظهور نبض قوي من التيار الكهربائي فيه، مما يؤدي إلى تسخين قوي للغاز و تكوين بلازما عالية الحرارة يمكن أن يحدث فيها تفاعل نووي حراري.
أرز. 3. رسم تخطيطي لتشغيل المفاعل
تكمن الصعوبة الرئيسية في إبقاء البلازما داخل الحجرة لمدة 0.1-1 ثانية دون ملامستها لجدران الحجرة، حيث لا توجد مواد يمكنها تحمل درجات الحرارة المرتفعة هذه. يمكن التغلب على هذه الصعوبة جزئيًا بمساعدة المجال المغناطيسي الحلقي الذي توجد فيه الكاميرا. تحت تأثير القوى المغناطيسية، يتم لف البلازما في سلك، كما لو كانت "معلقة" على خطوط تحريض المجال المغناطيسي، دون لمس جدران الغرفة.
ينبغي اعتبار بداية العصر الحديث في دراسة إمكانيات الاندماج النووي الحراري عام 1969، عندما تم الوصول إلى درجة حرارة 3 درجات مئوية في بلازما بحجم حوالي 1 م3 في منشأة توكاماك T3 الروسية. بعد ذلك، اعترف العلماء في جميع أنحاء العالم بتصميم توكاماك باعتباره الأكثر واعدة لحبس البلازما المغناطيسي. في غضون بضع سنوات، تم اتخاذ قرار جريء لإنشاء تركيب JET (Torus الأوروبي المشترك) بحجم بلازما أكبر بكثير (100 م 3). تبلغ دورة تشغيل الوحدة دقيقة واحدة تقريبًا، نظرًا لأن ملفاتها الحلقية مصنوعة من النحاس وتسخن بسرعة. بدأ تشغيل هذه المنشأة في عام 1983 ولا تزال أكبر توكاماك في العالم، حيث توفر تسخين البلازما إلى درجة حرارة 150 درجة مئوية.
أرز. 4. تصميم المفاعل النفاث
في عام 2006، ممثلو روسيا، كوريا الجنوبيةوقعت الصين واليابان والهند والاتحاد الأوروبي والولايات المتحدة اتفاقية في باريس لبدء العمل في بناء أول مفاعل نووي حراري تجريبي دولي (ITER). لفائف مغناطيسيةسوف تعتمد مفاعلات ITER على مواد فائقة التوصيل (والتي، من حيث المبدأ، تسمح بالتشغيل المستمر طالما تم الحفاظ على التيار في البلازما)، لذلك يأمل المصممون في توفير دورة عمل مضمونة لا تقل عن 10 دقائق.
أرز. 5. تصميم مفاعل ITER.
وسيتم بناء المفاعل بالقرب من مدينة كاداراش الواقعة على بعد 60 كيلومترا من مرسيليا في جنوب فرنسا. ومن المقرر أن يبدأ العمل على تجهيز موقع البناء في الربيع المقبل. ومن المقرر أن يبدأ بناء المفاعل نفسه في عام 2009.
سيستغرق البناء عشر سنوات، ومن المتوقع أن يستمر العمل في المفاعل لمدة عشرين عامًا. وتبلغ التكلفة الإجمالية للمشروع حوالي 10 مليار دولار. وسيتحمل الاتحاد الأوروبي أربعين في المائة من التكاليف، وسيتم تقاسم ستين في المائة بحصص متساوية بين المشاركين الآخرين في المشروع.
أنظر أيضا
- مفاعل الاندماج التجريبي الدولي
- تركيب جديد لإطلاق الاندماج النووي الحراري: 25/01/2010
الانصهار بالليزر (LSF)
هناك طريقة أخرى لتحقيق هذا الهدف وهي الاندماج النووي الحراري بالليزر. جوهر هذه الطريقة هو كما يلي. يتم تشعيع خليط متجمد من الديوتيريوم والتريتيوم، محضر على شكل كرات يقل قطرها عن 1 مم، بشكل موحد من جميع الجوانب باستخدام إشعاع ليزر قوي. ويؤدي ذلك إلى تسخين المادة وتبخرها من سطح الكرات. في هذه الحالة، يزداد الضغط داخل الكرات إلى قيم في حدود 10 15 باسكال. تحت تأثير هذا الضغط، هناك زيادة في الكثافة والتسخين القوي للمادة الموجودة في الجزء المركزي من الكرات ويبدأ التفاعل النووي الحراري.
على النقيض من الحبس المغناطيسي للبلازما، فإن زمن الحبس بالليزر (أي عمر البلازما ذات الكثافة العالية ودرجة الحرارة، والذي يحدد مدة التفاعلات النووية الحرارية) هو 10 –10 – 10 –11 ثانية، لذلك لا يمكن تنفيذ LTS إلا في الوضع النبضي. تم تقديم اقتراح استخدام الليزر في الاندماج النووي الحراري لأول مرة في المعهد الفيزيائي. P. N. Lebedev من أكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية في عام 1961 من قبل N. G. Basov و O. N. Krokhin.
في مختبر لورانس ليفرمور الوطني في كاليفورنيا، تم الانتهاء من بناء أقوى مجمع ليزر في العالم (مايو 2009). كان يطلق عليه اسم مرفق الإشعال الوطني الأمريكي (NIF). استمر البناء 12 سنة. تم إنفاق 3.5 مليار دولار على مجمع الليزر.
أرز. 7. رسم تخطيطي لـ ULS
يعتمد NIF على 192 ليزرًا قويًا، والتي سيتم توجيهها في وقت واحد إلى هدف كروي ملليمتري (حوالي 150 ميكروجرام من الوقود النووي الحراري - خليط من الديوتيريوم والتريتيوم؛ في المستقبل، يمكن استبدال التريتيوم المشع بنظير خفيف من الهيليوم -3) ). ونتيجة لذلك ستصل درجة حرارة الهدف إلى 100 مليون درجة، بينما سيكون الضغط داخل الكرة أعلى بـ 100 مليار مرة من ضغط الغلاف الجوي للأرض.
أنظر أيضا
- الاندماج النووي الحراري المتحكم فيه: التوكاماكي مقابل الاندماج بالليزر 16/05/2009
مزايا التوليف
يستشهد مؤيدو استخدام مفاعلات الاندماج النووي لإنتاج الكهرباء بالحجج التالية لصالحهم:
- احتياطيات لا تنضب عمليا من الوقود (الهيدروجين). على سبيل المثال، كمية الفحم اللازمة لتشغيل محطة طاقة حرارية بقدرة 1 جيجاوات تبلغ 10000 طن يوميًا (عشر عربات سكك حديدية)، وستستهلك محطة نووية حرارية بنفس الطاقة حوالي 1 كيلو جرام فقط من الخليط يوميًا د + ت . يمكن لبحيرة متوسطة الحجم أن تزود أي دولة بالطاقة لمئات السنين. وهذا يجعل من المستحيل على دولة أو مجموعة من الدول احتكار الوقود؛
- غياب منتجات الاحتراق.
- ليست هناك حاجة لاستخدام المواد التي يمكن استخدامها لإنتاج الأسلحة النووية، وبالتالي القضاء على حالات التخريب والإرهاب؛
- بالمقارنة مع المفاعلات النووية، يتم إنتاج كمية صغيرة من النفايات المشعة ذات نصف عمر قصير؛
- ولا ينتج عن تفاعل الاندماج انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، وهو المساهم الرئيسي في ظاهرة الاحتباس الحراري.
