очередное эммигрантское г.) (solar_front) wrote in engineering_ru,
очередное эммигрантское г.)
solar_front
engineering_ru

Фрагменты статьи "На пути к термоядерной энергетике" ("Наука и жизнь" №1, 1976 г):

Оригинал взят у solar_front в Термоядерный реактор? Это просто!
"Проблема управляемого термоядерного синтеза будет непременно решена
как только у человечества возникнет в ней реальная потребность."
(Акад. Л.А. Арцимович)

Пост: урезанная копия статьи акад. А.Б. Кадомцева "На пути к термоядерной энергетике" в журнале "Наука и жизнь" №1, 1976 год.

Термоядерные реакции - реакции синтеза атомных ядер из более легких ядер, т.е. слияния легких ядер в более тяжелые. Примером может служить реакция соединения ядер дейтерия D и трития T при которой рождаются ядро гелия и нейтрон. Общая энергия выделяемая в этой реакци - 17.6 МэВ (чтобы представлять сколько это примерно: 7.6Е-19 кВтч, в 1 г. водорода: 0.45 МВтч). Основная часть этой энергии (14.1 МэВ) получает нейтрон.

Плазма - состояние вещества, при котором атомы распались на свои составляющие части электроны и ядра. Плазма - хороший проводник электричества.
5
Параметр удержания. В термоядерных реакторах реагирующее вещество должно быть нагрето до высокой температуры. Это состояние должно просуществовать некоторое время (тау), необходимое для того, чтобы успела прореагировать заметная доля ядер. Скорость реакции растет с плотностью (числом ядер в объеме).

Критерий Лоусона. Для того, чтобы мощность, выделенная в плазме при термоядерных реакциях, покрыла потребляемую реактором, необохдимо получить определенный параметр удержания при определенной рабочей температуре. Это условие называют критерием Лоусона. Реакция дейтерия с тритием может сама поддерживать себя при ПУ > 3Е14 сек. см-3 и рабочей температуре около 100 млн. градусов. «Зажигание» чистого дейтерия наступает при ПУ 1Е16 сек. см-3 и рабочей температуре 500 млн. градусов.

Магнитная термоизоляция — отделение высокотемпературной плазмы от стенок камеры с помощью магнитного поля.

Лазерный термоядерный синтез. С помощью лазеров можно осуществить быстрый нагрев небольших мишеней до термоядерных температур. За время разлета такой мишени могут успеть произойти термоядерные реакции.

Релятивистские электронные пучки — пучки электронов, которые имеют скорость, близкую к скорости света и соответственно большую энергию. Такие пучки получают в короткоимпульсных мощных ускорителях. Релятивистские электронные пучки предполагается использовать для получения управляемых термоядерных реакций в виде серии небольших взрывов.

Двухкомпонентная плазма. В последнее время развивается метод дополнительного нагрева плазмы с помощью инжекции быстрых (ускоренных) атомов водорода. Каждый такой атом в плазме ионизируется, и образовавшийся при этом ион постепенно замедляется, отдает энергию электронам и ионам плазмы. В горячей плазме быстрые ионы образуют еще более горячую компоненту. В такой двухкомпонентной плазме ядерные реакции идут более интенсивно, так что требование на время удержания плазмы заметно снижается. В частности, для дейтериево-тритиевой смеси параметр удержания снижается до 1Е13 сек. см-3.

Бланкет. Энергия термоядерных реакций в дейтериево-тритиевой плазме в основном передается быстрым нейтронам. Чтобы преобразовать эту энергию в тепловую, плазменное кольцо нужно окружить специальной оболочкой толщиной около метра(бланкет, в переводе с английского - одеяло). В бланкете нейтроны будут замедляться и отдавать энергию теплоносителю. В качестве теплоносителя можно использовать литий в этом случае за счет ядерных реакций нейтроны будут производить из лития тритий, который нужен для самого реактора.

Гибридный реактор. Если в бланкете поместить уран природный или даже обедненный легко делящимся изотопом U(235) то получится так называемый, гибридный реактор. Быстрые нейтроны вызовут в уране-238 реакции деления, которые идут только под действием таких нейтронов. Это позволит увеличить общую тепловую энергию реактора в несколько раз - по сравнению с чисто термоядерным реактором. Кроме энергии, гибридные системы могут производить ядерное топливо {например, плутоний)для обычных атомных реакторов.

Одна из наиболее "удобных" термоядерных реакций протекает в нагретом до высокой температуры (сотни миллионов градусов) тяжелом водороде — дейтерии. Этот водород содержится в обычной воде, и если подсчитать, сколько можно извлечь энергии из содержащегося в воде дейтерия, то окажется, что один литр воды имеет теплотворную способность примерно трехсот литров бензина. Ясно, что, научившись использовать эту реакцию, мы получим практически неисчерпаемый источник энергии. (вспоминается фильм "Кин-дза-дза" там воду на планете Плюк перегнали в топливо. S-F)

4

К сожалению, чистый дейтерий «горит» не очень хорошо. Гораздо более интенсивно протекает термоядерная реакция в смеси из дейтерия и трития — сверхтяжелого водорода. Трития в природе нет, но он легко может быть получен при помощи лития в том же термоядерном реакторе, в котором будет протекать реакция горения смеси дейтерия с тритием. Запасы «топлива» для электростанций с использованием этой реакции -тоже практически безграничны. Именно на овладение дейтериево-тритиевой реакцией, как наиболее легко «воспламеняющейся» и интенсивно протекающей, в настоящее время направлены основные усилия исследователей.

Кажется вероятным, что в будущих термоядерных реакторах реакция «горения» будет протекать либо сравнительно медленно и непрерывно, в виде своего рода ровного термоядерного «пламени», либо в виде повторяющихся взрывов умеренной мощности. Системы, где предполагается получение «пламени», называют стационарными, а системы, использующие серии взрывов, — импульсными. На путях создания импульсных систем в последнее время стали интенсивно разрабатываться подходы с использованием новых методов очень быстрого выделения в малых объемах большого количества энергии. Поставщиками энергии в этом случае могут быть лазеры, релятивистские электронные пучки или кумуляция, дающая возможность получения сверхсильных магнитных полей (миллионы гаусс) и сверхсильных давлений (миллионы атмосфер). Эти направления очень быстро развиваются и, судя по всему, имеют хорошие перспективы. Но в настоящее время они все же заметно отстают от традиционных направлений исследований, предполагающих стационарные, или квазистационарные (то есть. приближающиеся к стационарным), условия протекания реакции.

Среди стационарных систем в последние годы на первое место вышли так называемые токамаки. Токамак, по сути дела, представляет собой трансформатор, у которого вторичная обмотка имеет один виток. Виток этот не что иное как замкнутая кольцевая камера, имеющая форму тора (бублика). Кольцевая камера заполняется тяжелым водородом (дейтерием) при низком давлении. При пропускании тока по первичной обмотке в камере происходит пробой в газе, газ ионизируется, и протекающий по нему ток нагревает его до высокой температуры. Само магнитное поле этого тока удерживает проводящий газ (плазму) от соприкосновения со стенками. Для стабилизации плазмы используется дополнительное магнитное поле, которое создается с помощью катушек, расположенных вдоль тора. Слово «токамак» и составлено из первых слогов слов — основных элементов установки (ток, камера, магнитные катушки). Слово «токамак» родилось в нашей стране и, как в свое время «спутник», вошло во многие иностранные языки в своем первозданном виде.

Проведенные в последние годы под руководством академика Л. А. Арцимовича и его учеников исследования на токамаках в значительной мере прояснили физику протекающих в плазме процессов и позволили достигнуть очень хороших параметров плазмы — плотности, температуры и времени удержания энергии.
Но, пожалуй, самым важным результатом этих исследований был вывод о том, что плазма удерживается тем лучше, чем больше ее поперечное сечение. Этот вывод позволил наметить основные этапы продвижения к термоядерному реактору, предусматривающие последовательный переход ко все более крупным установкам. Хотя время удержания плазмы в новых токамаках (речь о Т-10 1975 года, S-F) еще очень мало, однако известно, как двигаться к параметру удержания, который необходим в реакторе: все существующие эксперименты показывают, что время удержания пропорционально площади -поперечного сечения плазмы, так что нужно просто увеличивать размеры плазменной «баранки».
6


О трудностях:

Само понятие физической демонстрации реакции, то есть выделения в реакции синтеза таких количеств энергии, которые равны затратам на нагрев плазмы, носит довольно расплывчатый и условный характер. Здесь речь идет не о качественно новом физическом явлении, а скорее о некотором искусственном рубеже, который ставят себе физики. Соответственно и в развитии термоядерных исследований следует ожидать не резкого, а постепенного перехода от нынешнего физического этапа к инженерному и технологическому этапу. Просто по мере получения все более интенсивной реакции синтеза ядер на первый план будут выдвигаться технологические, а не физические проблемы. Поэтому уже сейчас физики стали разрабатывать планы строительства испытательных реакторов, то есть таких реакторов, где уже не нужно будет (или почти не нужно будет) исследовать физику явлений и главное внимание можно будет обратить на задачи конструирования промышленных установок, на технологические тонкости их работы, в частности на выбор материалов, изменение их свойств под действием излучения, температуры и других нагрузок.
Советская установка Т-20 предназначена для длительной работы с реагирующей дейтериево-тритиевой плазмой. Установка будет снабжена достаточно надежной защитой от радиации (на установках TFTR, JЕТ такая защита практически отсутствует, так как их длительная эксплуатация, ремонт и замена важных элементов при работе с тритием не предусмотрены). Установка Т-20 должна позволить провести не только физические исследования плазмы, но и первые технологические исследования, и прежде всего изучение поведения стенок камеры в условиях мощного излучения нейтронов, быстрых ионов и рентгеновского излучения.
8


Пост полностью читать здесь.




Tags: вакуум, проектирование & проекты, сооружения, экология, энергетика
Subscribe
promo engineering_ru april 14, 2014 13:47 105
Buy for 200 tokens
В 50-х годах Советский Союз вел грандиозные стройки, одной из которых был невиданный по тем временам проект — подземный тоннель на остров Сахалин, получивший рабочее название «Строительство № 506″. В конце 40-х, начале 50-х годов XX века остров Сахалин переживал бурный…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 32 comments