A magfúzió (vagy termonukleáris ) az a folyamat, amelyben két atommag egyesül és így egy nehezebb mag képződik. Ez a reakció természetesen a Napban és az Univerzum legtöbb csillagában fordul elő , amelyben a hidrogén és a hélium kivételével az összes kémiai elem létrejön . A maghasadással együtt az alkalmazott nukleáris reakciók két fő típusa .
A magfúzió hatalmas mennyiségű energiát bocsát ki tömegegységenként, ami az erős kölcsönhatás miatt a nukleonok közötti vonzerőből származik (lásd a magkötő energiát ). A fúziós reakció termékének vagy termékeinek tömege kisebb, mint az összeolvadt magok tömegének összege, a különbség kinetikai energiává (majd hővé ) alakul át Einstein E = mc 2 képlete szerint .
A magfúziót H-bombákban és anekdotikusabban neutrongenerátorokban használják . Használható villamos energia előállítására , amelynek két fő előnye van:
Az 1950-es évek óta szerte a világon végzett kutatások ellenére a fúzió ipari alkalmazását az energiatermelésben még nem sikerült elérni. A mérnökök szembesülnek azzal a kihívással, hogy zárt térben több millió fokos hőmérsékletet teremtsenek és tartsanak fenn.
Magfúzió semmi köze olvadó a mag egy atomreaktor , amely egy különösen szörnyű nukleáris baleset .
A fúziós reakciók felfedezése a XX . Század kezdetének dátuma . Miután néhány kísérlet, asztrofizikus Arthur Eddington azt javasolta 1920-ban, hogy az energia a csillagok oka, hogy a fúzió a hidrogén atommagok be hélium . 1934-ben Ernest Rutherford hajtotta végre az első fúziós reakciót a laboratóriumban ( deutérium atomok között ).
1938-ban, a munka a Hans Bethe és Carl Friedrich von Weizsäcker eredményezett Weizsäcker féle formula , amely egy hozzávetőleges értéke közötti kötési energiát nukleonok a atommag . Ebből a képletből képzelik el a csillagok belsejében lejátszódó reakciókat. 1950-ben George Gamow azokat vizsgálta, amelyek közvetlenül az Ősrobbanás után történhettek . Különösen azt elemzi, hogy a kvantumcsatornázó hatás miként teszi lehetővé a csillagokban előforduló nukleonfúziós reakciók gyakoriságának magyarázatát.
Az 1940-es években ezek a tanulmányok kimutatták, hogy a fúziós reakció során keletkezett elemek sokkal kevesebbet tartalmaznak, és felezési ideje lényegesen rövidebb, mint a maghasadás során keletkező hulladéké , arról nem is beszélve, hogy a fúzióhoz szükséges természeti erőforrások óriási mennyiségben állnak rendelkezésre. A csillagokban a nagyon erős gravitációnak köszönhetően létrejövő fúziót ezután a Földön mágneses mezők segítségével veszik figyelembe , ezt a folyamatot mágneses fúziónak nevezik .
1946-ban George Paget Thomson és Moses Blackman brit fizikusok benyújtották az első szabadalmat egy magfúziós reaktorra. Torikus alakú vákuumkamrát kínálnak a plazma behatárolására . Az 1950-es évek elején, Igor Tamm és Andrej Szaharov szovjet fizikusok találták ki Oleg Lavrentiev fizikusának eredeti ötlete alapján , a tokamak betűszó oroszból származik, és "mágneses tekercses toroid kamrának" fordítja.
A hidegháború miatt több ország elszigetelten és a legnagyobb titokban kezdte meg kutatását ( Egyesült Államok , Szovjetunió , Anglia , Franciaország , Németország és Japán ).
1958 januárjában az angolok bejelentették, hogy fúziós reakciókból nyertek neutronokat : az ellenőrzések azt mutatják, hogy ezek a neutronok valójában a plazma instabilitásáról származnak. Ez a kudarc provokálja a kutatás globális szintű összevonását, amelyet ugyanezen év szeptemberében, Genfben jelentettek be , az Atomok a Békéért program kongresszusán („Atomok a Békéért”). 1968-ban két orosz tokamak, a T3 és a TM3 lehetővé tette, hogy a plazma 20 milliszekundum alatt tízmillió Celsius-fokkal meghaladja a hőmérsékletet. Ezért ezt a kutatási irányt tartják a legígéretesebbnek.
A szinte kimeríthetetlen energiaforrás lehetősége irigységet ébreszt, míg az első olajsokk és a demográfiai előrejelzés az erőforrások bizonytalanságát bizonyítja, tekintettel a növekvő energiaigényre. Az 1970–1980-as évek a kísérleti kutatások iránti veszett verseny színhelyei voltak, és jelentős összegeket költöttek el anélkül, hogy a pozitív energiamérleg elérését célozták volna; az Egyesült Államok erre évi 500 millió dollárt költ. A legtöbb kredit egyre erősebb tokamak fejlesztésére szolgál. A kutatás egyéb területeit feltárják. Az inerciális bezáró lézer plazma a teljesítménylézereknél tapasztalható, a sugárzáró mágnesszelepet figyelembe veszik ( terepi fordított konfiguráció (in) , FRC), alacsony teljesítményű kísérletek a plazma önszerveződésével történő elszigetelés miatt, gömb térfogatú magnetohidrodinamikai tulajdonságai miatt vagy spheromak valósulnak meg.
Az 1990-es években a hagyományos tokamak jövője elsötétült, mivel tisztában volt a teljesítmény korlátaival. Ezt a plazma β (béta) arány fejezi ki, amelyet a plazma nyomás és a mágneses nyomás arányaként határozunk meg . Abban az időben a mágneses elzárást tekintették az egyetlen módnak arra, hogy megvárják a pozitív energiaegyensúlyt lehetővé tevő fúziós reakciók eléréséhez szükséges hőmérsékleteket. Egybehangzóan egyetértettek abban, hogy ez a tényező nem haladhatja meg az 5% -ot, ami sok energiát jelent a mágnesek egyre erőteljesebbé tételéhez. A kutatási források kiszáradnak. Az ITER projekt tízszeresére nő az építési költségvetés, és a késések megsokszorozódnak. 1997-ben az első "modern" gömb alakú tokamak , a START (en) új rekordot döntött, ezzel a toroid β 38% -ra emelkedett. Németországban egy másik kutatási irányt, a tokamak körüli variációt hajtanak végre egy csillagkép , a Wendelstein 7-X , egy 1994-ből származó, de végül 2015-ben megvalósított projekt megépítésével .
A remény újjászületik, az ITER projekt végül elindul, és 2011-ben megkezdődik az építkezés. Az első plazmákat 2025-re tervezik. Már az ITER utáni időszakra gondolunk, amely új kompaktabb és erőteljesebb készülékterveket vetít előre. Többféle gömb alakú tokamakot terveznek bemutatni ( Spherical Tokamak for Energy Production (en) ), és magánvállalatok indulnak a versenyen.
az 2020. december 4, Kína indítja a tokamak közül a leghatékonyabbat, a HL-2M-et . Szecsuán tartományban található , az ITER program része.
A magfúziós reakcióhoz két atommag szükséges az átjutáshoz. Ehhez az atommagoknak le kell győzniük az intenzív taszítást az elektromos töltésük miatt, mindkettő pozitív (ezt a jelenséget „ Coulomb-gátnak ” nevezik ). Ha csak a klasszikus mechanika törvényeit alkalmaznák, a magfúzió elérésének valószínűsége nagyon alacsony lenne, a gáton való átjutáshoz szükséges rendkívül magas (a termikus keverésnek megfelelő ) kinetikus energia miatt . A kvantummechanika azonban azt jósolja, ami a gyakorlatban is igaz, hogy a Coulomb-gát alagutazással is átléphető , alacsonyabb energiák mellett.
Az energiák szükséges fúziós továbbra is nagyon magas, ami a hőmérséklet több tíz vagy akár több száz millió Celsius fok jellegétől függően a magok (lásd alább: a fúziós plazma ). Például a Nap belsejében a hidrogén fúziója , amely a hélium termelésének szakaszait eredményezi , tizenötmillió Kelvin hőmérsékleten zajlik , de a reakciómintákat követve különbözik a fúziós energia előállításánál vizsgáltaktól. Föld. Néhány nagyobb tömegű csillagban a magasabb hőmérséklet lehetővé teszi a nehezebb magok fúzióját.
Két mag egyesülésekor a keletkező mag instabil állapotba kerül, és vissza kell térnie alacsonyabb energiájú stabil állapotba, egy vagy több részecskét ( foton , neutron , proton , hélium mag , a reakció típusától függően) kidobva. A felesleges energia eloszlik a mag és a kinetikus energia formájában kibocsátott részecskék között .
Kereskedelmi működési szempontból annak érdekében, hogy a fúzió energetikailag nyereséges lehessen, szükséges, hogy a megtermelt energia nagyobb legyen, mint a reakciók fenntartására és a külső környezetre gyakorolt hőveszteségek miatt felhasznált energia. A fúziós reaktorokban tehát el kell kerülni a reakcióközeg és a környezet anyagai közötti bármilyen érintkezést, amelyet immateriális ( mágneses vagy inerciális ) bezárással érünk el .
A legtöbb energiát leadó fúziós reakciók azok, amelyek a legkönnyebb magokat is magukban foglalják. Így a deutérium magok 2
1H (a p + proton és egy n neutron ) és a trícium 3
1H (egy proton és két neutron) részt vesz a következő reakciókban (ahol 3
2Ő hélium 3 és4
2Ő héliummá 4 ):
Ha a maghasadást hosszú ideje ellenőrzik az áramtermelés szempontjából , akkor ez nem a fúziós eset.
Ezt a reakciót nehéz megvalósítani, mert két olyan magot kell összehozni, amelyek természetesen hajlamosak egymást taszítani. A könnyű magok, például a deutérium fúziójának elsajátítása a Földön hozzáférést biztosítana az energiaforrásokhoz olyan mennyiségben, amellyel az emberi faj még soha nem találkozott, és sokkal kevesebb nukleáris hulladékot termelne, mint a hasadás. Ez a jelentős tét arra késztette a nemzeti és nemzetközi tudományos közösségeket, hogy több nagyszabású projektet indítsanak.
Különböző elképzelhető módszerek léteznek a reakcióközeg bezárásának elérésére a magfúziós reakciók előállítására, ideértve a mágneses bezárással történő fúziót és az inerciális bezárásos fúziót .
Ezekben a konfigurációkban a plazmát alkotó részecskék egy pályát követnek, függően mágneshidrodinamikai tulajdonságaitól és a mágneses mező vonalaitól, amelyeket maga a plazma vagy mágnesek generálnak. A részecskék így visszatérnek kiindulási helyzetükbe (zárt konfiguráció), vagy egy olyan utat követnek, amely a készülékből való kilépéshez vezet (nyitott konfiguráció).
A torikus tokamakA tokamak az előnyben részesített jelölt egy vezérelt fúzióval villamos energiát előállító erőmű fejlesztésére . A hőcsere és a hőátadó folyadék elvén működik .
Az első lépés annak bemutatása az ITER kísérleti reaktorral , hogy a fúziós reakciók által előállított energia nagyobb, mint a plazma fenntartásához szükséges energia.
A gömb alakú tokamakA gömb alakú tokamak mágneses záróeszközök a plazma nukleonok fúziós reakcióinak végrehajtására sokkal hatékonyabban, mint a hagyományos tokamak gyűrűk.
A jelenlegi kísérletek megerősítik a szférikus tokamak lehetőségét. Valamennyi hatékonyságjelző tízszer nagyobb, mint a hagyományos tokamak.
A csillagképzőA sztellarátorban a plazma bezárását teljes egészében egy spirális mágneses mező biztosítja , amelyet a tekercsek bonyolult elrendezése generál a tórusz körül . A cél az egyes részecskék pályájának irányítása, amely egy hagyományos torikus tokamakban lehetetlen a tórus geometriája miatt: egy fordulat végrehajtásához a tórusz belsejében lévő részecskék rövidebb távolságot tesznek meg, mint a külső oldalon lévő részecskék. torus. Példa csillagképre: a Wendelstein 7-X .
A szferomakGömb alakú, a spheromak a plazma önszerveződésének elvét követi magnetohidrodinamikai tulajdonságainak köszönhetően. A plazma áramlása alakja révén mágneses teret generál, amely viszont erősíti és stabilizálja azt. Néhány eszköz a spheromak és a gömb alakú tokamak hibridje ( pl. Proto-Sphera).
A General Fusion kanadai startup , amely a spheromak prototípusát fejleszti Vancouverben a befektetők, köztük a brit kormány és Jeff Bezos támogatásával , bejelenti a2021. június 17hogy az első demonstrálót 2022 és 2025 között a nyugat-londoni Culhamben, a Brit Atomenergia Hivatal campusán fogja felépíteni . Az erőmű teljesítménye 115 MW lesz .
Nyissa meg a konfigurációkatA készülékek csapda mágneses tükrök és mező-fordított konfiguráció (en) (FRC) lehetne használni űrhajómeghajtás típusú elektromos .
Fúziós melegítés mágneses bezárássalKülönböző eszközök állnak a fúziós fizikusok rendelkezésére a deutérium és a trícium plazma melegítésére.
Az első eszköz egy olyan rendszerből áll, amely intenzív elektromos áramot képes létrehozni a plazmában. Amennyiben az elektródák szennyezik a plazmát, a kutatók változó mágneses mezőnek köszönhetően indukálják ezt az áramot, akár növekszik, akár csökken. Így az indukált áramnak vannak korlátai.
Az is lehetséges, hogy a hő a plazma segítségével egy fénysugár a semleges atomok . Ezeket külön készülékben ionizálják, hogy elektromos mezővel fel tudják gyorsítani őket . Ezután elektronjaik visszacsatolásával semlegesítik őket, majd befecskendezik a plazmába. Ezeknek az atomoknak szükségszerűen semlegeseknek kell lenniük, mivel az ionokat a korlátozó mező eltérítené, és nem lennének képesek hozzáférni a plazma közepéhez. Az utóbbiak középpontjába kerülve a semleges atomok ismét ionizálódnak, és a tríciumhoz és a deutériumhoz képest felesleges kinetikus energiájuk miatt ütközés útján feladják energiájuk egy részét a közepén. Ezek a semleges atomok maguk a trícium és a deutérium. Ezért biztosítják az üzemanyag- ellátást is .
Ily módon az energiát lézerfénysugár vagy feltöltött részecskék (elektronok vagy ionok) nyalábja juttatja a néhány milliméter átmérőjű üzemanyaggömbbe. A cél külső falának ionizálása és gyors felmelegedése a plazma tágulásához vezet, kb. C / 1000 sebességgel ( c jelöli a vákuumban mért fénysebességet, azaz kb. 3 × 108 m / s ) . Ez egy olyan centripetális lökéshullám megjelenését eredményezi, amely a deutérium-trícium üzemanyagot a célpont közepére koncentrálja, amelynek átmérője körülbelül tízszer kisebb, mint a kezdeti átmérő. Rakétahatásról beszélünk, hogy minősítsük a cél tömegének ezt a konvergenciáját, szemben a perifériás plazma terjeszkedésével ( Newton harmadik törvényének kölcsönös cselekvési elve ). Ez a tömörítés mind az éghető közeg sűrűsödéséhez vezet (kb. 1000-szeres, azaz 10x10x10), így a Földön sehol nem elérhető sűrűség , azaz 10 26 , és körülbelül tízmillió fokos hőmérséklet alakul ki. Ezek az állapotok nagyon sok fúziós reakcióhoz vezetnek, amelyek körülbelül 10 pikoszekundumig tartanak .
A fő ellenőrzött magfúziós projektek állapota (2014. október):
Projekt | Kategória | Az üzembe helyezés dátuma | Eredmények | Nehézségekbe ütközött | Hozzászólások |
---|---|---|---|---|---|
Nemzetközösségi fúziós rendszerek | Tokamak | 2025 | (épülő projekt) | ||
ITER | Tokamak | 2025 | N / A
(épülő projekt) |
Építési idő,
meghaladta a költségvetést |
Nemzetközi projekt (35 ország), amely egy hosszú távú megközelítés része, amelynek célja a magfúzió iparosítása, amelynek célja a Q = 10 elérése (tízszer több megtermelt energia, mint amennyit fogyasztanak). Miután a 1 -jén üzembe helyezés, a gép le fog állni az ideje, hogy felkészüljünk a következő fázis (plazmák névleges teljesítmény), akkor a fázis és a nukleáris erőműveket, 2035. |
Közös európai tórusz | Tokamak | 1989 | Q = 0,65 (ma a legjobb arány az előállított és a magfúzió által kiváltott teljesítmény között). | N / A | A legnagyobb meglévő funkcionális Tokamak, a különböző európai nemzeti laboratóriumok együttműködésének gyümölcse. 2004 óta frissítési munkákon megy keresztül, hogy növelje az ITER projekt fejlesztésében való részvétel képességét . |
MAST-U (be) | Gömb alakú tokamak | 2019 | a toroidális béta jelenlegi rekordja 38% -on | N / A | A legnagyobb gömb alakú tokamak, amely ma működik, és várja az NSTX-U (in) javítását. Jelenlegi feladata az ITER divertor konfigurációinak tesztelése |
Wendelstein 7-X | Stellarator | 2015 | A teszt fázisában - az első eredmények azt mutatják, hogy a specifikációk specifikációit elérték. | N / A |
|
Z gép | Axiális feszültség | 2010 | A fúziót 2014-ben hajtották végre. A hőmérséklet háromszor alacsonyabb, mint az ITER hőmérséklete. | A reakciósebesség 10000-szor túl alacsony ahhoz, hogy Q > 1 hozamot érjünk el | Amerikai magánprogram, amelyet a Lockheed Martin fejlesztett leányvállalata, a Sandia laboratóriumaiban (titoktartási aggályok). Ez egy olyan szimulátor, amelynek fúziós kísérletei csak részei annak hasznosságának. |
CFR (en) | Mágneses csapda | N / A | Elméleti fejlődés. A rendszer lehetséges tömörsége. | Fuzzy haladás, nincs működő prototípus | Amerikai magánprogram. A Lockheed Martin rövid távon prototípus kifejlesztésére törekszik. |
Megajoule lézer | Lézeres elszigetelés | 2014 | N / A | Finanszírozás | Az elsődleges cél egy szimulátor létrehozása a hagyományos nukleáris kísérletek helyettesítésére. Az energiatermelés csak másodlagos kutatási irány. |
Elérte a hőmérsékletet
A plazma fenntartási ideje
Magfúziós erő
Azon a hőmérsékleten, amelyen a fúzió valószínűleg bekövetkezik, az anyag plazma állapotban van .
Ez egy olyan nyersanyag-állapot, amelyben az atomok vagy molekulák ionizált gázt képeznek .
Az egyes magokat körülvevő elektronfelhőből egy vagy több elektron elszakadt, pozitív töltésű ionokat és szabad elektronokat hagyva , az egész elektromosan semleges.
Hőplazmában az ionok és az elektronok nagy keverése számos ütközést eredményez a részecskék között. Ahhoz, hogy ezek az ütközések kellően erőszakosak legyenek és fúziót okozzanak, három mennyiség vesz részt: a T hőmérséklet , az N sűrűség és a τ bezárási idő .
A Lawson-kritérium kimondja, hogy az energia és az elvesztett energia kapcsolatának el kell érnie a nyereséges rendszer bizonyos küszöbét. A gyújtás az energiatermelés magasabb szakaszában következik be , amelyet a meglévő reaktorokban még mindig nem lehet létrehozni. Ez az a küszöb, amelytől a reakció képes önfenntartásra. A deutérium-trícium reakció esetében ez a küszöbérték 10 14 s / cm 3 .
Az alkotóelemek megkötő energiája az erős nukleáris kölcsönhatási erőből származik , amely az univerzum négy alapvető kölcsönhatásban lévő erejének egyike.
Azonban az energia beruházás megvalósítását, így ez a kötelék arányos a villamos díjat a két atom magok jelen. Ezért esett a fúzió választása a deutériumra és a tríciumra , két nehéz hidrogén izotópra, amelyekért ez a termék 1-et ér.
A fúzió előállításához minimálisan szolgáltatandó energia 4 k eV (40 millió kelvin hőmérsékletnek felel meg ); a felszabaduló kinetikus energia ekkor 17,6 MeV , 80% -ban elosztva a kibocsátott neutronban és 20% -ban a keletkező héliumban .
De a Lawson kritériumának eléréséhez és a kellően pozitív hatékonysághoz szükséges energia körülbelül 10 k eV, vagyis 100 millió Celsius fok .
A "deutérium + trícium" reakció gyors neutron emissziót eredményez . Ezeket a neutronokat lehetetlen elektromágnesesen behatárolni, mert nulla elektromos töltésük van. Ezek tehát valószínűleg foglyul az atommagok a burkolat fal, amelyet néha átalakítani a radioaktív izotópok ( aktiválás jelenség ). Az aktiválást viszont kíséri termelés sejtmagok a hélium , amely gyengíti a szerkezeti anyagok. Ez megnehezítheti a ipari felhasználása fúzió és a tárgya a vizsgálatok különböző javasolt megoldások (például falak kompozit anyagok , vagy a specifikus vas ötvözetek ), de szükség kísérleti vizsgálatok, amelyek nehezen kivitelezhető. Rövid távon.
A reakciókat generáló neutronok nem teljesen "tiszták", de sokkal kevésbé Azok a hulladékgenerátorok, amelyek reagálnak a maghasadásra, és ennek a hulladéknak az élettartama sokkal alacsonyabb Az atomerhasadásos erőművekben keletkező radioaktív termékekéhez képest .
DeutériumellátásA deutérium természetesen nagy mennyiségben van jelen az óceánokban , legfeljebb 33 g / m 3 . Ezek az elméleti források évmilliókig kielégítik az emberi faj energiafogyasztását. Valójában az 1 m 3 vízben található deutérium potenciálisan annyi energiát szolgáltathat, mint 668 t olaj elégetése .
Az extrakciós eljárás, az izotóp szétválasztására a nehézvíz a Girdler folyamatot , már iparosodott.
TríciumellátásA trícium nagyon ritka a természetben, a világon körülbelül egy tríciumatom 10 18 atom hidrogén 3,5 kg . Ezért mesterségesen és meglehetősen gyorsan kell elkészíteni, mivel rövid felezési idejű radioaktív izotóp jellege azt jelenti, hogy a termelt természetes vagy mesterséges trícium fele 12,3 év alatt eltűnik. Ezen túlmenően, nehéz Confine, mivel ez egy ilyen kis atom , hogy szivárog be acél és átmegy rajta.
Ha katonai téren fúziót alkalmaztak H-bombákkal , még mindig nincs polgári alkalmazás az áramtermelésre . Csak tanulmányi prototípusokat lehetett építeni, vö. szakasz # A projektek előrehaladása .
Van néhány egyéb felhasználás, például a neutrongenerátorok .
A legfontosabb fúziós folyamat a természetben az, amely a csillagokat táplálja . A nettó eredmény a fúziós négy protonok egy alfa-részecske ( hélium-4 atommag ) kíséretében megjelenése két pozitronokat , két neutrínók (amely viszont két protonok a neutronok ) és az energia, de a különböző egyéni reakciók. Vesznek részt a csillag tömege szerint. A Naphoz hasonló vagy kisebb méretű csillagokban a proton-proton lánc dominál. A nehezebb csillagokban a szén-nitrogén-oxigén (CNO) ciklus a legfontosabb. Mindkét típusú folyamat a csillag nukleoszintézis keretein belül új elemek létrehozásának a kezdete . Más folyamatok játszódnak le a szupernóvákban lévő hatalmas csillagok robbanásakor , amelyek nehéz elemek létrehozásához vezetnek, a robbanó nukleoszintézis részeként .
A csillagmag hőmérsékletén és sűrűségénél a fúziós reakció sebessége észrevehetően alacsony. Például a Nap magjának hőmérsékletén ( T ≈ 15 MK ) és sűrűségén ( 160 g / cm 3 ) az energia felszabadulásának sebessége csak 276 μW / cm 3 - a hőmennyiség kb. az ember térfogata nyugalmi állapotban. Így a csillagok szívének állapotát laboratóriumban reprodukálni a fúziós energia előállítása céljából teljesen lehetetlen a gyakorlatban. Mivel a reakciósebességek nagymértékben függenek a hőmérséklettől (exp (- E / kT )), a magfúziós reaktorokban az ésszerű energiatermelés elérése érdekében tíz-százszor magasabb hőmérsékleten kell dolgozni. a csillagok szívének, vagyis T - 0,1 - 1 GK (százmillió és egymilliárd kelvin közötti nagyságrendű ).
Az ember által végzett fúzióban nincs szükség arra, hogy a felhasznált üzemanyag protonokból álljon, és magasabb hőmérsékleten is lehet nagyobb keresztmetszetű reakciókat elérni . Ez azt jelenti, hogy Lawson kritériumának alacsonyabb értéke van , ezért kevesebb erőfeszítést kell tenni a reakciók megkezdésére. A neutronok előállítása, amely aggodalomra ad okot, mivel a reaktor szerkezetének radiológiai aktiválódását okozza, másrészt azzal az előnnyel jár, hogy lehetővé teszi a fúziós energia kinyerését, valamint a trícium előállítását . A neutronokat nem termelő reakciókról azt mondják, hogy aneutronok .
Az energiaforrásként való felhasználás érdekében a fúziós reakciónak több kritériumnak is meg kell felelnie. Meg kell:
Kevés reakció felel meg ezeknek a kritériumoknak. Az alábbiak a legnagyobb keresztmetszettel :
Két termékkel történő reakció esetén az energia tömegük fordított arányában oszlik meg közöttük, amint az látható. A legtöbb termék három reakció esetén az energiák eloszlása változó. Azoknál a reakcióknál, amelyek egynél több termékkészletet eredményezhetnek, meg kell adni az arányokat. Néhány jelölt reakció azonnal kiküszöbölhető. A D- 6 Li reakciónak nincs előnye a p- 11 B-vel szemben, mert bár majdnem ugyanolyan nehéz elindítani, a 2. oldali D- 2 D reakciók révén lényegesen több neutront termel . Van p- 7 Li reakció is , azonban annak keresztmetszete túl kicsi, kivéve talán, ha T i > 1 MeV , de ilyen hőmérsékleten az endoterm reakció, amely közvetlenül neutronokat termel, nagyon jelentősvé válik. Végül van egy p- 9 Be reakció , amelyet nemcsak nehéz kiváltani, de amelyben a 9 Be könnyen két alfára és egy neutronra osztható.
A fúziós reakciók mellett a következő neutronokat érintő reakciók fontosak a trícium termeléséhez "száraz" fúziós bombákban és néhány tervezett reaktorban:
n 0 | + | 6 Li | → | 3 T | + | 4 Ő | ||
n 0 | + | 7 Li | → | 3 T | + | 4 Ő | + | n 0 |
E reakciók hasznosságának felméréséhez a felszabaduló reagenseken, termékeken és energián kívül a keresztmetszetre vonatkozó információkra is szükség van. Bármely fúziós eszköznek van egy maximális nyomása, amelyet képes fenntartani, és egy gazdaságos eszköznek mindig ennek a maximumnak a közelében kell működnie. Ha ezt a nyomást adjuk meg, akkor a maximális fúziós energiát olyan hőmérséklet választásával érhetjük el, hogy a <σ v > / T 2 maximális legyen. Ez az a hőmérséklet is, amelynél a gyulladáshoz szükséges háromszoros nTτ szorzat értéke minimális, utóbbi fordítottan arányos a <σ v > / T 2 értékkel (lásd Lawson kritériumát ). Ezt az optimális hőmérsékletet, valamint a <σ v > / T 2 értéket ezen a hőmérsékleten a reakciók néhány reakciójára a következő táblázat tartalmazza.
Éghető | T [keV] | <σ v > / T 2 [ m 3 s −1 keV −2 ] |
---|---|---|
2 D- 3 T | 13.6 | 1,24 × 10 −24 |
2 D- 2 D | 15 | 1,28 × 10 −26 |
2 D- 3 Ő | 58 | 2,24 × 10 −26 |
p + - 6 Li | 66 | 1,46 × 10 −27 |
p + - 11 B | 123. | 3,01 × 10 −27 |
Ezen reakciók közül sok láncot alkot. Például egy 3 T-vel és 3 He- vel ellátott reaktor létrehoz egy kis 2 D-t, amelyet aztán a 2 D + 3 He reakcióban is felhasználhat, ha az energiák "helyesek". Elegáns ötlet a (8) és (9) reakció kombinálása. 3 A (8) reakcióval előállított anyag képes reagálni a (9) reakció során keletkező 6 Li-vel, még mielőtt teljes hőmérséklete felmelegedne . Így egy proton keletkezik, amely viszont hőkezelés előtt reakcióba léphet (8). Részletes elemzés azt mutatja, hogy ez az ötlet valójában nem fog nagyon jól működni, de jó példa arra az esetre, amikor a szokásos Maxwell- plazma hipotézis nem megfelelő.
A fenti reakciók bármelyike elvileg lehet az alapja a fúziós energia előállításának. Amellett, hogy a hőmérséklet és a keresztmetszete a fent tárgyalt, meg kell vizsgálni az összes energia a fúziós termékek E fúziós , az energia a elektromosan töltött fúziós termékek E ch , és a atomszáma Z a reagensek eltérő izotópjai hidrogén.
A 2 D- 2 D reakció specifikálása azonban bizonyos nehézségekkel jár. Először is a két ág (2i) és (2ii) átlagát kell elvégezni. Ezután, ami nehezebb, el kell döntenie a 3 T és 3 He termékek feldolgozását. 3 T olyan jól „ég” egy deutérium plazmában, hogy gyakorlatilag lehetetlen kivonni. A 2 D- 3 He reakció optimális egy sokkal magasabb hőmérsékleten, és az égés a 2 D- 2 D optimális hőmérsékletén alacsony lehet; ésszerűnek tűnik tehát feltételezni, hogy 3 T ég, de 3 He nem , és az így felszabaduló energia hozzáadódik a reakció energiájához. A 2 D- 2 D fúziós energia tehát E fúzió = (4,03 +17,6 + 3,27) / 2 = 12,5 MeV , és a töltött részecskék energiája E ch = (4,03 + 3, 5 + 0,82) / 2 = 4,2 MeV .
Egy másik specifikus megvalósítási módja szerint a 2 D- 2 D reakció jelenléte egyetlen reagens, amelyet figyelembe kell venni, amikor kiszámításakor a reakció sebességét.
Ezen választások alapján a legfontosabb reakció négy paraméterének paramétereit mutatja az alábbi táblázat.
Éghető | Z | E fúzió [MeV] | E ch [MeV] | Semlegesség |
---|---|---|---|---|
2 D- 3 T | 1 | 17.6 | 3.5 | 0,80 |
2 D- 2 D | 1 | 12.5 | 4.2 | 0,66 |
2 D- 3 Ő | 2 | 18.3 | 18.3 | ~ 0,05 |
p + - 11 B | 5. | 8.7 | 8.7 | ~ 0,001 |
Az utolsó oszlop a reakció neutronitásának felel meg, amelyet a fúziós energia neutronok formájában felszabaduló hányadaként határozunk meg. Fontos mutatója a neutronokkal kapcsolatos problémák mértékének, mint például a sugárkár, a biológiai védelem, a távoli kezelés és a biztonság. Az első két reakcióhoz az ( E fúzió - E ch ) / E fúzió adja . Az utóbbi kettő esetében, ahol ez a képlet 0-val egyenlő eredményt adna, a megadott értékek durva becslések olyan mellékreakciók alapján, amelyek termikus egyensúlyban a plazmában neutronokat termelnek.
A reagenseket az optimális arányban kell összekeverni. Ez az eset áll fenn, amikor minden reagension és a hozzá tartozó elektronok a nyomás felében vesznek részt. Feltételezve, hogy a teljes nyomás rögzített, ez azt jelenti, hogy a nem hidrogénionok sűrűsége 2 / ( Z +1) faktorral alacsonyabb, mint a hidrogénionok sűrűsége . Ennek eredményeként ezeknek a reakcióknak a sebességét ugyanaz a tényező csökkenti, ami a legnagyobb különbség a <σ v > / T 2 értékeiben . Másrészt, mivel a 2 D- 2 D reakció csak az egyik reagenst, az arány kétszer olyan magas, mint ha az üzemanyag állt két hidrogén izotópjai.
Ezért (2 / ( Z +1)) "büntetés" van a hidrogéntől eltérő üzemanyagok esetében, mivel több elektronra van szükségük, amely elnyeli a nyomást anélkül, hogy részt venne az égési fúziós reakcióban. Általában helyes azt feltételezni, hogy az elektron hőmérséklete és az ion hőmérséklete közel azonos. Egyes szerzők elképzelése szerint az elektronok sokkal alacsonyabb hőmérsékleten tarthatók, mint az ionok. Ilyen helyzetekben, amelyeket „forró ion üzemmódoknak” neveznek, a „büntetés” nem alkalmazható. Hasonlóképpen van egy 2-es faktor "bónusz" a 2 D- 2 D reakcióra , annak a ténynek köszönhető, hogy minden ion reagálhat a többi ion bármelyikével, és nem csak töredékével.
Az alábbi táblázat összehasonlítja ezeket a reakciókat.
Éghető | <σ v > / T 2 | Büntetés / bónusz | Reakcióképesség | Lawson kritériuma | Teljesítménysűrűség (W m −3 kPa −2 ) | Teljesítménysűrűség arány |
---|---|---|---|---|---|---|
2 D- 3 T | 1,24 × 10 −24 | 1 | 1 | 1 | 34 | 1 |
2 D- 2 D | 1,28 × 10 −26 | 2 | 48 | 30 | 0.5 | 68 |
2 D- 3 Ő | 2,24 × 10 −26 | 2/3 | 83. | 16. | 0,43 | 80 |
p + - 6 Li | 1,46 × 10 −27 | 1/2 | 1,700 | 0,005 | 6,800 | |
p + - 11 B | 3,01 × 10 −27 | 1/3 | 1,240 | 500 | 0,014 | 2500 |
A <σ v > / T 2 maximális értékét egy előző táblázatból vesszük. A „büntetés / bónusz” tényező az, amely vagy nem hidrogén reagenshez, vagy egyetlen fajon lejátszódó reakcióhoz kapcsolódik. A „reaktivitás” oszlopban szereplő értékeket úgy kapjuk meg, hogy az 1,24 × 10 –24 értékeket elosztjuk a második és a harmadik oszlop szorzatával; mindegyik érték jelzi a reakciók lassulási tényezőjét a 2 D- 3 T reakcióhoz viszonyítva, összehasonlítható körülmények között. A „Lawson kritériuma” oszlop ezeket az eredményeket E ch-vel súlyozza, és jelzi, hogy a 2 D- 3 T reakcióhoz képest milyen nehézségekkel jár a gyújtás ezekkel a reakciókkal. által E fúziós ; megadja a fúziós teljesítmény sűrűség-csökkentési tényezőjét egy adott reakcióhoz képest a 2 D- 3 T reakcióval szemben , és a gazdasági potenciál mérőszámaként tekinthető.
A fúzión áteső ionok szinte soha nem teszik ezt külön, hanem elektronokkal keverik össze, amelyek semlegesítik az ionok elektromos töltését , és plazmát képeznek . Mivel elektronok általában hőmérsékleten hasonló vagy nagyobb, mint az ionok, ütköznek, és kibocsát röntgensugárzás amelynek energiája nagyságrendű 10 hogy 30- keV ( fékezési vagy fékezés sugárzás ). A Nap és a csillagok átlátszatlanok a röntgensugarakkal szemben , de a Föld fúziós reaktorainak többsége alacsony optikai vastagsággal rendelkezik ennek az energiatartománynak a röntgensugaraihoz. A reflexió a röntgensugarak nehéz beszerezni, de ezek felszívódik (és hővé) által vastagsága kisebb, mint 1 mm-es rozsdamentes acélból készült (amely része az árnyékolás egy reaktor). Az előállított fúziós erő és ezek a veszteségek közötti kapcsolat a reakció fontos minőségi kritériuma. Ennek az aránynak a maximális értékét általában sokkal magasabb hőmérsékleten kapják meg, mint ami a maximális teljesítménysűrűséget adja (lásd az előző alfejezetet). Az alábbi táblázat mutatja a hozzávetőleges optimális hőmérsékletet, valamint az adott hőmérsékleten mért teljesítményarányt több reakció esetén.
Éghető | T i (keV) | P fúzió / P Bremsstrahlung |
---|---|---|
2 D- 3 T | 50 | 140 |
2 D- 2 D | 500 | 2.9 |
2 D- 3 Ő | 100 | 5.3 |
3 He- 3 He | 1000 | 0,72 |
p + - 6 Li | 800 | 0,21 |
p + - 11 B | 300 | 0,57 |
Valószínű, hogy a fúziós teljesítmény és a Bremsstrahlung teljesítmény közötti tényleges arányok észrevehetően gyengébbek, különféle okokból. Először is, a számítások abból indulnak ki, hogy a fúziós termékek energiája teljes mértékben átjut az üzemanyag ionjaira , amelyek ütközés útján elveszítik azt az elektronok javára, amelyek viszont Bremsstrahlung által veszítenek energiából . Mivel azonban a fúziós termékek sebessége sokkal gyorsabb, mint az üzemanyagionok, energiájuk jelentős részét közvetlenül az elektronoknak adják fel. Másodszor, feltételezzük, hogy a plazma csak üzemanyag-ionokat tartalmaz. A gyakorlatban jelentős a szennyező ionok aránya, ami csökkenti az arányt. Különösen maguknak a fúziós termékeknek kell maradniuk a plazmában, amíg fel nem adják energiájukat, és még egy ideig ott kell maradniuk, függetlenül a tervezett elszigetelési módszertől. Végül a Bremsstrahlung kivételével az összes energiaveszteségi csatornát elhanyagolhatónak tekintették. Az utolsó két tényező összefügg. Elméletileg és kísérletileg úgy tűnik, hogy a részecske és az energia bezárása szorosan összefügg. Az energiatartást hatékonyan visszatartó elszigetelési folyamatban a fúziós termékek növekedni fognak. Ha a fúziós termékeket hatékonyan kiutasítják, akkor az energia-visszatartás gyenge lesz.
Azok a hőmérsékletek, amelyeknél az olvadás és a Bremsstrahlung teljesítmények aránya a legnagyobb, minden esetben magasabb, mint azoknál, amelyeknél a teljesítménysűrűség a legnagyobb, és a hármas fúziós termék minimális. Ez a 2 D- 3 T optimális működési pontját nem változtatja meg sokat, mert a Bremsstrahlung részaránya kicsi, de más üzemanyagokat olyan rendszerekbe taszít , ahol a 2 D- 3 T-hez viszonyított teljesítménysűrűség még alacsonyabb, és a szükséges elszigetelés még nagyobb nehéz elérni. Mert 2 D- 2 D és 2 D- 3 Ő, a veszteségeket fékezési súlyos probléma, talán még blokkolja. A 3 He- 3 Ő, p + - 6 Li és p + - 11 B, a veszteségeket fékezési úgy tűnik, hogy lehetetlenné teszi a megvalósítása a fúziós reaktor segítségével ezek az üzemanyagok egy izotróp kvázi-semleges plazma. Ez a korlátozás nem vonatkozik sem semleges plazmákra, sem anizotrop plazmákra , amelyeknek azonban megvannak a maguk kihívásai.
A hosszú távú működés megbízhatósága és biztonsága számos kihívást jelent. A reaktor típusától függően változnak.
Különösen a következőkre vonatkoznak:
Miután 2006-ban meghozták az ITER projekt franciaországi végrehajtását, több francia felsőoktatási intézmény csatlakozott a „Fúziós tudományok képzésének” szövetségéhez. A képzés célja nagyon magas szintű francia vagy külföldi tudósok és mérnökök felkészítése, akik képesek befektetni a plazmák, a fúzió és az energia kutatásával kapcsolatos programokba. Különösen a nagy kapcsolódó berendezések tudományos és műszaki hasznosításában. A mester szakterülete tehát az elméleti, szimulációs és kísérleti megközelítéssel ionizált közegek összes tudományos és technológiai területét lefedi, és multidiszciplináris oktatást kínál a plazmákról, azok minden változatosságáról, besugárzás alatt álló anyagokról, kriotechnológiáról és szupravezetésről, mikrohullámú vagy lézeres nagyon nagy teljesítményű fűtésről és műszerekről szélsőséges környezetekben. A képzés három tanfolyamon zajlik: kettő a fizikára összpontosít (egyrészt a fúzió mágneses bezárással és a mágnesezett plazmákkal, másrészt a fúzió inerciális bezárással és a sűrű plazmákkal), egy harmadik tanfolyam tartalmilag technológiaibb. a plazma és a fúzió fizikája és technológiái.
Egyes egyetemek egyesülésével nyolc, négy franciaországi településre kiterjedő intézmény társult felhatalmazással rendelkezik ennek az oklevélnek az átadására, párhuzamosan ezeken a helyszíneken, valamint a hallgatók csoportosítása során Cadarache-ban és Bordeaux-ban:
Négy mérnöki iskola is társul: