عروض الاندماج النووي الحراري 2 الاندماج النووي الحراري. كيف ساعد علماء سيبيريا الإنسان على الطيران إلى النجوم؟

عندما كنت طفلا، أحببت قراءة مجلة "العلم والحياة"، في القرية كان هناك مجلد من الستينيات. هناك تحدثوا كثيرًا عن الاندماج النووي الحراري بطريقة مبهجة - لقد اقترب الأمر، وسيحدث! قامت العديد من البلدان، من أجل اللحاق بتوزيع الطاقة المجانية، ببناء توكاماك (وأنشأت ما مجموعه 300 منها حول العالم).

مرت السنوات... ونحن الآن في عام 2013، ولا تزال البشرية تحصل على معظم طاقتها من حرق الفحم، تمامًا كما كان الحال في القرن التاسع عشر. لماذا حدث هذا، وما الذي يمنع إنشاء مفاعل نووي حراري، وماذا يمكن أن نتوقعه في المستقبل - أقل من الخفض.

نظرية

ردود الفعل التوليفية الأكثر واقعية ومثيرة للاهتمام من الناحية العملية هي:

1) 2 D+ 3 T -> 4 He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)
2) 2 D+ 2 D -> 3 T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) 50%
2 D+ 2 D -> 3 He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) 50%
3) 2 D+ 3 He -> 4 He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV)
4) ص+ 11 ب -> 3 4 هو + 8.7 MeV

تستخدم هذه التفاعلات الديوتيريوم (D) - يمكن الحصول عليه مباشرة من مياه البحر، والتريتيوم (T) - وهو نظير مشع للهيدروجين، ويتم الحصول عليه الآن كنفايات في المفاعلات النووية التقليدية، ويمكن إنتاجه خصيصًا من الليثيوم. يبدو أن هيليوم-3 موجود على القمر، كما نعلم جميعًا بالفعل. البورون-11 - يتكون البورون الطبيعي من 80% بورون-11. ص (البروتيوم، ذرة الهيدروجين) - الهيدروجين العادي.

للمقارنة، يطلق انشطار 235 يو ما يقرب من 202.5 ميجا إلكترون فولت من الطاقة، أي. أكثر بكثير من تفاعل الاندماج لكل ذرة واحدة (ولكن لكل كيلوغرام من الوقود - بالطبع، يوفر الوقود النووي الحراري المزيد من الطاقة).

ينتج التفاعلان 1 و2 العديد من النيوترونات عالية الطاقة، مما يجعل بنية المفاعل بأكملها مشعة. لكن التفاعلات 3 و4 - "الخالية من النيوترونات" (غير النيوترونية) - لا تنتج إشعاعات مستحثة. لسوء الحظ، لا تزال هناك ردود فعل جانبية، على سبيل المثال من التفاعل 3 - سوف يتفاعل الديوتيريوم مع نفسه، وستظل هناك كمية صغيرة من الإشعاع النيوتروني.

التفاعل 4 مثير للاهتمام لأنه نتيجة لذلك نحصل على 3 جسيمات ألفا، والتي يمكن نظريًا إزالة الطاقة منها مباشرة (نظرًا لأنها تمثل في الواقع الشحنات المتحركة = التيار).

بشكل عام، هناك ما يكفي من ردود الفعل المثيرة للاهتمام. والسؤال الوحيد هو ما مدى سهولة تنفيذها في الواقع؟

على تعقيد رد الفعللقد أتقنت البشرية انشطار 235 يو بسهولة نسبية: لا توجد صعوبة هنا - نظرًا لأن النيوترونات لا تحتوي على شحنة، فيمكنها حرفيًا "الزحف" عبر النواة حتى بسرعة منخفضة جدًا. تستخدم معظم مفاعلات الانشطار النيوترونات الحرارية - وسرعة حركتها قابلة للمقارنة مع سرعة الحركة الحرارية للذرات.

لكن أثناء تفاعل الاندماج، يكون لدينا نواتان مشحونتان، وتتنافران. ومن أجل تقريبها من المسافة المطلوبة للتفاعل، فإنها تحتاج إلى التحرك بسرعة كافية. يمكن تحقيق هذه السرعة إما في المسرع (عندما تتحرك جميع الذرات بنفس السرعة المثلى)، أو عن طريق التسخين (عندما تطير الذرات بشكل عشوائي في اتجاهات عشوائية وبسرعات عشوائية).

فيما يلي رسم بياني يوضح معدل التفاعل (المقطع العرضي) كدالة لسرعة (=طاقة) الذرات المتصادمة:

وهنا نفس الشيء، ولكن مبني على درجة حرارة البلازما، مع الأخذ في الاعتبار أن الذرات هناك تطير بسرعات عشوائية:


نرى على الفور أن تفاعل D+T هو "الأخف" (يحتاج إلى 100 مليون درجة تافهة)، D+D أبطأ بحوالي 100 مرة عند نفس درجات الحرارة، D+ 3 إنه أسرع من D+D المنافس فقط عند درجات حرارة النظام 1 مليار درجة.

وبالتالي، فإن تفاعل D+T فقط هو الذي يمكن الوصول إليه عن بعد على الأقل للبشر، مع كل عيوبه (النشاط الإشعاعي للتريتيوم، وصعوبات الحصول عليه، والإشعاع الناجم عن النيوترونات).

ولكن كما تفهم، فإن أخذ وتسخين شيء ما إلى مائة مليون درجة وتركه للتفاعل لن ينجح - أي كائنات ساخنة تنبعث منها الضوء، وبالتالي تبرد بسرعة. البلازما التي يتم تسخينها إلى مئات الملايين من الدرجات تتألق في نطاق الأشعة السينية، والأمر الأكثر حزنًا هو أنها شفافة بالنسبة لها. أولئك. تبرد البلازما عند درجة الحرارة هذه بسرعة قاتلة، ومن أجل الحفاظ على درجة الحرارة تحتاج إلى ضخ طاقة هائلة باستمرار للحفاظ على درجة الحرارة.

ومع ذلك، نظرا لحقيقة أن هناك القليل جدا من الغاز في مفاعل نووي حراري (على سبيل المثال، في ITER - نصف جرام فقط)، فإن كل شيء ليس سيئا للغاية: لتسخين 0.5 غرام من الهيدروجين إلى 100 مليون درجة تحتاج إلى إنفاق تقريبًا نفس كمية الطاقة المستخدمة لتسخين 186 لترًا من الماء عند 100 درجة.

انتهى المشروع في 30 سبتمبر 2012. اتضح أن هناك أخطاء في نموذج الكمبيوتر. وفقًا لتقدير جديد، تبلغ طاقة النبض التي تم تحقيقها في NIF 1.8 ميجاجول - 33-50% من الطاقة المطلوبة لتحرير نفس كمية الطاقة التي تم إنفاقها.

آلة ساندي Zالفكرة هي كما يلي: لنأخذ كومة كبيرة من المكثفات ذات الجهد العالي ونقوم بتفريغها فجأة من خلال أسلاك التنغستن الرفيعة الموجودة في وسط الآلة. تتبخر الأسلاك على الفور، ويستمر تيار ضخم يبلغ 27 مليون أمبير في التدفق عبرها لمدة 95 نانو ثانية. يتم تسخين البلازما إلى الملايين والمليارات (!) من الدرجات، وتنبعث منها الأشعة السينية، وتضغطها في كبسولة مع خليط الديوتيريوم والتريتيوم في المركز (طاقة نبض الأشعة السينية هي 2.7 ميجا جول).

ومن المخطط ترقية النظام باستخدام محطة كهرباء روسية (Linear Transformer Driver - LTD). ومن المتوقع إجراء الاختبارات الأولى في عام 2013، حيث سيتم مقارنة الطاقة المتلقاة مع الطاقة المستهلكة (Q=1). ربما يكون لهذا الاتجاه فرصة لمطابقة التوكاماك وتجاوزه في المستقبل.

تركيز البلازما الكثيفة - DPF- "ينهار" البلازما التي تعمل على طول الأقطاب الكهربائية، مما ينتج عنه درجات حرارة هائلة. وفي مارس 2012، تم الوصول إلى درجة حرارة 1.8 مليار درجة مئوية في منشأة تعمل على هذا المبدأ.

ثنائي القطب المرفوع- توكاماك "مقلوب"، في وسط الحجرة المفرغة، يوجد مغناطيس فائق التوصيل على شكل طوري يحمل البلازما. في مثل هذا المخطط، تعد البلازما بأن تكون مستقرة في حد ذاتها. لكن المشروع لا يحظى بالتمويل الآن، ويبدو أن التفاعل التوليفي لم يتم تنفيذه مباشرة في المنشأة.

فارنسورث – هيرش فوزرالفكرة بسيطة - نضع شبكتين كرويتين في غرفة مفرغة مملوءة بالديوتيريوم، أو خليط من الديوتيريوم والتريتيوم، ونطبق بينهما جهدًا يتراوح بين 50 إلى 200 ألف فولت. وفي المجال الكهربائي، تبدأ الذرات بالتحليق حول مركز الغرفة، وتتصادم أحيانًا مع بعضها البعض.

هناك عائد نيوتروني، لكنه صغير جدًا. فقدان كبير للطاقة بسبب الأشعة السينية، تسخن الشبكة الداخلية بسرعة وتتبخر من الاصطدامات مع الذرات والإلكترونات. على الرغم من أن التصميم مثير للاهتمام من وجهة نظر أكاديمية (يمكن لأي طالب تجميعه)، إلا أن كفاءة توليد النيوترونات أقل بكثير من المسرعات الخطية.

بوليويلهي تذكيرات جيدة بأن أعمال الاندماج ليست كلها عامة. تم تمويل العمل من قبل البحرية الأمريكية، وتم تصنيفه حتى الحصول على نتائج سلبية.

الفكرة هي تطوير لـ Farnsworth-Hirsch fusor. لقد استبدلنا القطب السالب المركزي، الذي واجه معظم المشاكل، بسحابة من الإلكترونات ممسوكة بمجال مغناطيسي في وسط الغرفة. تحتوي جميع نماذج الاختبار على مغناطيسات عادية وليست فائقة التوصيل. أنتج التفاعل نيوترونات مفردة. بشكل عام، لا ثورة. ربما تؤدي الزيادة في الحجم والمغناطيسات فائقة التوصيل إلى تغيير شيء ما.

الحفز الميون- فكرة مختلفة جذريا. نأخذ ميونًا سالب الشحنة ونستبدله بإلكترون في الذرة. وبما أن الميون أثقل بـ 207 مرات من الإلكترون، فإن الذرتين الموجودتين في جزيء الهيدروجين ستكونان أقرب إلى بعضهما البعض، وسيحدث تفاعل اندماجي. المشكلة الوحيدة هي أنه إذا تشكل الهيليوم نتيجة للتفاعل (احتمال 1% تقريبًا)، وطار الميون معه بعيدًا، فلن يتمكن بعد ذلك من المشاركة في التفاعلات (نظرًا لأن الهيليوم لا يشكل مركبًا كيميائيًا مع هيدروجين).

المشكلة هنا هي أن توليد الميون حاليا يتطلب طاقة أكبر مما يمكن الحصول عليه في سلسلة التفاعلات، وبالتالي لا يمكن الحصول على الطاقة هنا حتى الآن.

الاندماج النووي الحراري "البارد".(وهذا لا يشمل تحفيز الميون "البارد") - كان منذ فترة طويلة مرعى للعلماء الزائفين. لا توجد نتائج إيجابية مثبتة علميا أو قابلة للتكرار بشكل مستقل. وكانت هناك أحاسيس على مستوى الصحافة الصفراء أكثر من مرة حتى قبل أندريا روسي إي كات.

اقترح العلماء في مختبر برينستون لفيزياء البلازما فكرة جهاز الاندماج النووي الأطول عمرا والذي يمكن أن يعمل لأكثر من 60 عاما. في الوقت الحالي، تعد هذه مهمة صعبة: إذ يكافح العلماء لجعل مفاعل نووي حراري يعمل لبضع دقائق - ثم لسنوات. على الرغم من التعقيد، يعد بناء مفاعل نووي حراري أحد أكثر المهام الواعدة في العلوم، والتي يمكن أن تحقق فوائد هائلة. نخبرك بما تحتاج لمعرفته حول الاندماج النووي الحراري.

1. ما هو الاندماج النووي الحراري؟

لا تخف من هذه العبارة المرهقة، فهي في الواقع بسيطة للغاية. الاندماج هو نوع من التفاعل النووي.

أثناء التفاعل النووي، تتفاعل نواة الذرة إما مع جسيم أولي، أو مع نواة ذرة أخرى، مما يؤدي إلى تغير تركيب وبنية النواة. يمكن أن تتحلل النواة الذرية الثقيلة إلى اثنتين أو ثلاث نواة أخف - وهذا تفاعل انشطاري. هناك أيضًا تفاعل اندماجي: يحدث عندما تندمج نواتان ذريتان خفيفتان في واحدة ثقيلة.

على عكس الانشطار النووي، الذي يمكن أن يحدث إما بشكل تلقائي أو قسري، فإن الاندماج النووي مستحيل بدون إمدادات الطاقة الخارجية. كما تعلم، تتجاذب الأضداد، لكن النوى الذرية مشحونة بشكل إيجابي - لذا فهي تتنافر. وتسمى هذه الحالة بحاجز كولوم. للتغلب على التنافر، يجب تسريع هذه الجسيمات إلى سرعات جنونية. يمكن القيام بذلك في درجات حرارة عالية جدًا - تصل إلى عدة ملايين من الكلفن. تسمى هذه التفاعلات بالنووية الحرارية.

2. لماذا نحتاج إلى الاندماج النووي الحراري؟

أثناء التفاعلات النووية والحرارية، يتم إطلاق كمية هائلة من الطاقة، والتي يمكن استخدامها لأغراض مختلفة - يمكنك صنع أسلحة قوية، أو يمكنك تحويل الطاقة النووية إلى كهرباء وتزويدها للعالم أجمع. لقد تم استخدام طاقة الاضمحلال النووي منذ فترة طويلة في محطات الطاقة النووية. لكن الطاقة النووية الحرارية تبدو واعدة أكثر. في التفاعل النووي الحراري، يتم إطلاق طاقة أكبر بكثير لكل نواة (ما يسمى بالنوى المكونة والبروتونات والنيوترونات) مقارنة بالتفاعل النووي. على سبيل المثال، متى انشطار نواة اليورانيوم إلى نيوكليون واحد ينتج 0.9 ميجا إلكترون فولت، وعندماأثناء اندماج نواة الهيليوم، يتم إطلاق طاقة تساوي 6 MeV من نواة الهيدروجين. لذلك، يتعلم العلماء كيفية تنفيذ التفاعلات النووية الحرارية.

إن أبحاث الاندماج النووي الحراري وبناء المفاعلات تجعل من الممكن توسيع إنتاج التكنولوجيا الفائقة، وهو أمر مفيد في مجالات أخرى من العلوم والتكنولوجيا الفائقة.

3. ما هي التفاعلات النووية الحرارية؟

تنقسم التفاعلات النووية الحرارية إلى ذاتية الاستدامة وغير منضبطة (تستخدم في القنابل الهيدروجينية) ومنضبطة (مناسبة للأغراض السلمية).

تحدث تفاعلات ذاتية الاستدامة في داخل النجوم. ومع ذلك، لا توجد ظروف على الأرض لحدوث مثل هذه التفاعلات.

لقد أجرى الناس اندماجًا نوويًا حراريًا غير منضبط أو متفجرًا لفترة طويلة. في عام 1952، خلال عملية آيفي مايك، قام الأمريكيون بتفجير أول جهاز متفجر نووي حراري في العالم، والذي لم يكن له أي قيمة عملية كسلاح. وفي أكتوبر 1961، تم اختبار أول قنبلة نووية حرارية (هيدروجينية) في العالم ("قنبلة القيصر"، "والدة كوزكا")، التي طورها العلماء السوفييت تحت قيادة إيغور كورشاتوف. لقد كانت أقوى عبوة ناسفة في تاريخ البشرية بأكملها: تراوحت الطاقة الإجمالية للانفجار، بحسب مصادر مختلفة، من 57 إلى 58.6 ميغا طن من مادة تي إن تي. لتفجير قنبلة هيدروجينية، من الضروري أولاً الحصول على درجة حرارة عالية أثناء انفجار نووي تقليدي - عندها فقط ستبدأ النوى الذرية في التفاعل.

إن قوة الانفجار أثناء التفاعل النووي غير المنضبط عالية جدًا، بالإضافة إلى أن نسبة التلوث الإشعاعي مرتفعة. لذلك، من أجل استخدام الطاقة النووية الحرارية للأغراض السلمية، من الضروري معرفة كيفية التحكم فيها.

4. ما هو المطلوب لتفاعل نووي حراري متحكم فيه؟

امسك البلازما!

غير واضح؟ دعونا نشرح الآن.

أولا، النوى الذرية. في الطاقة النووية، يتم استخدام النظائر - الذرات التي تختلف عن بعضها البعض في عدد النيوترونات، وبالتالي في الكتلة الذرية. يتم الحصول على نظير الهيدروجين الديوتيريوم (D) من الماء. الهيدروجين فائق الثقل أو التريتيوم (T) هو نظير مشع للهيدروجين وهو نتيجة ثانوية لتفاعلات الاضمحلال التي تتم في المفاعلات النووية التقليدية. أيضًا في التفاعلات النووية الحرارية، يتم استخدام نظير الهيدروجين الخفيف - البروتيوم: هذا هو العنصر المستقر الوحيد الذي لا يحتوي على نيوترونات في النواة. تم العثور على الهيليوم 3 على الأرض بكميات ضئيلة، ولكن يوجد الكثير منه في التربة القمرية (الثرى): في الثمانينيات، طورت وكالة ناسا خطة للمنشآت الافتراضية لمعالجة الثرى وإطلاق نظير قيم. لكن نظيرًا آخر منتشر على كوكبنا - البورون 11. 80% من البورون الموجود على الأرض هو نظير ضروري للعلماء النوويين.

ثانيا درجة الحرارة مرتفعة جدا . يجب أن تكون المادة المشاركة في التفاعل النووي الحراري عبارة عن بلازما متأينة بالكامل تقريبًا - وهو غاز تطفو فيه الإلكترونات الحرة والأيونات ذات الشحنات المختلفة بشكل منفصل. لتحويل مادة ما إلى بلازما، يلزم درجة حرارة تتراوح بين 10 7 - 10 8 كلفن - أي مئات الملايين من الدرجات المئوية! يمكن تحقيق درجات الحرارة العالية جدًا هذه عن طريق إنشاء تفريغات كهربائية عالية الطاقة في البلازما.

ومع ذلك، لا يمكنك ببساطة تسخين العناصر الكيميائية اللازمة. سوف يتبخر أي مفاعل على الفور عند درجات الحرارة هذه. وهذا يتطلب نهجا مختلفا تماما. من الممكن اليوم احتواء البلازما في منطقة محدودة باستخدام مغناطيس كهربائي فائق القوة. لكن لم يكن من الممكن بعد الاستفادة الكاملة من الطاقة التي تم الحصول عليها نتيجة للتفاعل النووي الحراري: حتى تحت تأثير المجال المغناطيسي، تنتشر البلازما في الفضاء.

5. ما هي ردود الفعل الواعدة أكثر؟

التفاعلات النووية الرئيسية المخطط استخدامها للاندماج المتحكم فيه سوف تستخدم الديوتيريوم (2H) والتريتيوم (3H)، وعلى المدى الطويل الهيليوم 3 (3He) والبورون 11 (11B).

إليك ما تبدو عليه ردود الفعل الأكثر إثارة للاهتمام.

1) 2 D+ 3 T -> 4 He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV) - تفاعل الديوتيريوم والتريتيوم.

2) 2 D+ 2 D -> 3 T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) 50%

2 D+ 2 D -> 3 He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) 50% - هذا ما يسمى بمادة الدفع الأحادية الديوتيريوم.

التفاعلات 1 و 2 محفوفة بالتلوث الإشعاعي بالنيوترونات. ولذلك، فإن التفاعلات "الخالية من النيوترونات" هي الأكثر واعدة.

3) 2 D+ 3 He -> 4 He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV) - يتفاعل الديوتيريوم مع الهيليوم -3. المشكلة هي أن الهيليوم 3 نادر للغاية. ومع ذلك، فإن الناتج الخالي من النيوترونات يجعل هذا التفاعل واعدًا.

4) p+ 11 B -> 3 4 He + 8.7 MeV - يتفاعل البورون-11 مع البروتيوم، مما يؤدي إلى ظهور جسيمات ألفا يمكن أن تمتصها رقائق الألومنيوم.

6. أين يتم تنفيذ مثل هذا التفاعل؟

المفاعل النووي الحراري الطبيعي هو نجم. فيه، يتم الاحتفاظ بالبلازما تحت تأثير الجاذبية، ويتم امتصاص الإشعاع - وبالتالي لا يبرد القلب.

على الأرض، لا يمكن إجراء التفاعلات النووية الحرارية إلا في منشآت خاصة.

أنظمة النبض. في مثل هذه الأنظمة، يتم تشعيع الديوتيريوم والتريتيوم بأشعة ليزر فائقة القوة أو أشعة إلكترون/أيون. يؤدي هذا التشعيع إلى سلسلة من الانفجارات النووية الحرارية الدقيقة. ومع ذلك، فإن استخدام مثل هذه الأنظمة على نطاق صناعي غير مربح: حيث يتم إنفاق قدر أكبر بكثير من الطاقة على الذرات المتسارعة مقارنة بما يتم الحصول عليه نتيجة للاندماج، حيث لا تتفاعل جميع الذرات المتسارعة. ولذلك، تقوم العديد من البلدان ببناء أنظمة شبه ثابتة.

الأنظمة شبه الثابتة. في مثل هذه المفاعلات، يتم احتواء البلازما بواسطة مجال مغناطيسي عند ضغط منخفض ودرجة حرارة عالية. هناك ثلاثة أنواع من المفاعلات تعتمد على تكوينات المجال المغناطيسي المختلفة. هذه هي التوكاماك والنجوم (Torsatrons) ومصائد المرآة.

توكاماكتعني "الغرفة الحلقية ذات الملفات المغناطيسية". هذه غرفة على شكل "دونات" (طارة) يتم فيها لف الملفات. السمة الرئيسية للتوكاماك هي استخدام التيار الكهربائي المتناوب، الذي يتدفق عبر البلازما، ويسخنها، ويخلق مجالًا مغناطيسيًا حول نفسه، ويحتفظ بها.

في ستيلاريتور (تورساترون)يتم احتواء المجال المغناطيسي بالكامل بواسطة ملفات مغناطيسية، وعلى عكس التوكاماك، يمكن تشغيله بشكل مستمر.

في ض مصائد المرآة (المفتوحة).يتم استخدام مبدأ الانعكاس. يتم إغلاق الغرفة من الجانبين بواسطة "سدادات" مغناطيسية تعكس البلازما، وتحفظها في المفاعل.

لفترة طويلة، قاتلت مصائد المرايا والتوكاماك من أجل الأولوية. في البداية، بدا مفهوم المصيدة أبسط، وبالتالي أرخص. في أوائل الستينيات، تم تمويل الأفخاخ المفتوحة بكثرة، لكن عدم استقرار البلازما والمحاولات الفاشلة لاحتوائها بمجال مغناطيسي أجبرت هذه المنشآت على أن تصبح أكثر تعقيدًا - حيث تحولت الهياكل البسيطة على ما يبدو إلى آلات جهنمية، وكان من المستحيل تحقيقها نتيجة مستقرة. لذلك، في الثمانينات، ظهر التوكاماك في المقدمة. في عام 1984، تم إطلاق طائرة JET tokamak الأوروبية، والتي تكلفت 180 مليون دولار فقط والتي سمحت معاييرها بحدوث تفاعل نووي حراري. في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية وفرنسا، تم تصميم توكاماك فائقة التوصيل، والتي لم تستهلك أي طاقة تقريبًا في تشغيل النظام المغناطيسي.

7. من يتعلم الآن تنفيذ التفاعلات النووية الحرارية؟

تقوم العديد من الدول ببناء مفاعلاتها النووية الحرارية. تمتلك كازاخستان والصين والولايات المتحدة الأمريكية واليابان مفاعلاتها التجريبية الخاصة. يعمل معهد كورشاتوف على مفاعل IGNITOR. أطلقت ألمانيا مفاعل Wendelstein 7-X النجمي الاندماجي.

الأكثر شهرة هو مشروع توكاماك الدولي ITER (ITER، المفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي) في مركز أبحاث كاداراش (فرنسا). وكان من المفترض أن يتم الانتهاء من بنائه في عام 2016، لكن حجم الدعم المالي اللازم زاد، وتم نقل توقيت التجارب إلى عام 2025. ويشارك الاتحاد الأوروبي والولايات المتحدة الأمريكية والصين والهند واليابان وكوريا الجنوبية وروسيا في أنشطة ITER. ويلعب الاتحاد الأوروبي الحصة الرئيسية في التمويل (45%)، في حين يقوم باقي المشاركين بتوريد معدات عالية التقنية. على وجه الخصوص، تنتج روسيا مواد وكابلات فائقة التوصيل، وأنابيب راديو لبلازما التسخين (الجيروترونات) وصمامات للملفات فائقة التوصيل، بالإضافة إلى مكونات الجزء الأكثر تعقيدًا من المفاعل - الجدار الأول، الذي يجب أن يتحمل القوى الكهرومغناطيسية، والإشعاع النيوتروني و إشعاع البلازما.

8. لماذا لا نزال نستخدم مفاعلات الاندماج؟

منشآت التوكاماك الحديثة ليست مفاعلات نووية حرارية، ولكنها منشآت بحثية لا يمكن فيها وجود البلازما والحفاظ عليها إلا لفترة من الوقت. الحقيقة هي أن العلماء لم يتعلموا بعد كيفية الاحتفاظ بالبلازما في المفاعل لفترة طويلة.

وفي الوقت الحالي، من أعظم الإنجازات في مجال الاندماج النووي هو نجاح العلماء الألمان الذين تمكنوا من تسخين غاز الهيدروجين إلى 80 مليون درجة مئوية والحفاظ على سحابة من بلازما الهيدروجين لمدة ربع ثانية. وفي الصين، تم تسخين بلازما الهيدروجين إلى 49.999 مليون درجة واحتجازها لمدة 102 ثانية. تمكن علماء روس من معهد جي آي بودكر للفيزياء النووية في نوفوسيبيرسك من تحقيق تسخين مستقر للبلازما إلى عشرة ملايين درجة مئوية. ومع ذلك، اقترح الأمريكيون مؤخرًا طريقة للاحتفاظ بالبلازما لمدة 60 عامًا، وهذا أمر مشجع.

بالإضافة إلى ذلك، هناك جدل حول ربحية الاندماج النووي في الصناعة. ومن غير المعروف ما إذا كانت فوائد توليد الكهرباء ستغطي تكاليف الاندماج النووي. يُقترح تجربة التفاعلات (على سبيل المثال، التخلي عن تفاعل الديوتيريوم-التريتيوم التقليدي أو الوقود الأحادي لصالح تفاعلات أخرى)، ومواد البناء - أو حتى التخلي عن فكرة الاندماج النووي الحراري الصناعي، واستخدامها فقط في التفاعلات الفردية في الانشطار تفاعلات. ومع ذلك، لا يزال العلماء يواصلون التجارب.

9. هل مفاعلات الاندماج آمنة؟

نسبياً. التريتيوم، الذي يستخدم في تفاعلات الاندماج، هو مشع. بالإضافة إلى ذلك، فإن الخلايا العصبية التي يتم إطلاقها نتيجة للتوليف تشعع بنية المفاعل. تصبح عناصر المفاعل نفسها مغطاة بالغبار المشع بسبب تعرضها للبلازما.

ومع ذلك، فإن مفاعل الاندماج أكثر أمانًا من المفاعل النووي من حيث الإشعاع. يوجد عدد قليل نسبيًا من المواد المشعة في المفاعل. وبالإضافة إلى ذلك، فإن تصميم المفاعل نفسه يفترض عدم وجود "ثقوب" يمكن من خلالها أن يتسرب الإشعاع. يجب أن تكون الغرفة المفرغة للمفاعل مغلقة، وإلا فلن يتمكن المفاعل من العمل. أثناء بناء المفاعلات النووية الحرارية، يتم استخدام المواد التي تم اختبارها بواسطة الطاقة النووية، ويتم الحفاظ على الضغط المنخفض في المبنى.

"قلنا أننا سنضع الشمس في صندوق. الفكرة رائعة. "لكن المشكلة هي أننا لا نعرف كيفية إنشاء هذا الصندوق" - بيير جيل دي جين، الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1991.

في حين أن هناك عددًا لا بأس به من العناصر الثقيلة اللازمة للتفاعلات النووية على الأرض وفي الفضاء بشكل عام، إلا أن هناك الكثير من العناصر الخفيفة اللازمة للتفاعلات النووية الحرارية على الأرض وفي الفضاء. لذلك، جاءت فكرة استخدام الطاقة النووية الحرارية لصالح البشرية على الفور تقريبًا مع فهم العمليات التي تقوم عليها - وهذا يعد بإمكانيات لا حدود لها حقًا، حيث أن احتياطيات الوقود النووي الحراري على الأرض كان ينبغي أن تكون كافية لعشرات الآلاف من البشر. سنوات قادمة.

بالفعل في عام 1951، ظهر اتجاهان رئيسيان لتطوير المفاعلات النووية الحرارية: قام أندريه ساخاروف وإيجور تام بتطوير بنية توكاماك حيث كانت غرفة العمل عبارة عن طارة، في حين اقترح ليمان سبيتزر بنية ذات تصميم أكثر تعقيدًا في الشكل الذي يذكرنا بشكل أكبر بمفاعل نووي حراري. شريط موبيوس المقلوب ليس مرة واحدة، بل عدة مرات.

إن بساطة التصميم الأساسي للتوكاماك سمحت بتطوير هذا الاتجاه لفترة طويلة من خلال زيادة خصائص المغناطيس التقليدي وفائق التوصيل، وكذلك من خلال زيادة حجم المفاعل تدريجيًا. ولكن مع زيادة معلمات البلازما، بدأت تظهر تدريجيا مشاكل في سلوكها غير المستقر، مما أدى إلى إبطاء العملية.

أدى تعقيد تصميم النجم تماما إلى حقيقة أنه بعد التجارب الأولى في الخمسينيات، توقف تطوير هذا الاتجاه لفترة طويلة. لقد حصل على فرصة جديدة للحياة مؤخرًا مع ظهور أنظمة التصميم الحديثة بمساعدة الكمبيوتر، والتي مكنت من تصميم Wendelstein 7-X stellator مع المعلمات ودقة التصميم اللازمة لتشغيله.

فيزياء العملية ومشاكل تنفيذها

تمتلك ذرات الحديد الحد الأقصى من طاقة الارتباط لكل نيوكليون - وهو مقياس للطاقة التي يجب إنفاقها لتقسيم الذرة إلى النيوترونات والبروتونات المكونة لها، مقسومة على عددها الإجمالي. جميع الذرات ذات الكتلة الأقل والأعلى لها هذا المؤشر أسفل الحديد:

في هذه الحالة، في التفاعلات النووية الحرارية لاندماج ذرات الضوء حتى الحديد، يتم إطلاق الطاقة، وتصبح كتلة الذرة الناتجة أقل بقليل من مجموع كتل الذرات الأولية بمقدار يرتبط بالطاقة المنطلقة وفقًا للصيغة E = mc² (ما يسمى بعيب الكتلة). وبنفس الطريقة، يتم إطلاق الطاقة أثناء تفاعلات الانشطار النووي للذرات الأثقل من الحديد.

أثناء تفاعلات الاندماج الذري، يتم إطلاق طاقة هائلة، ولكن من أجل استخراج هذه الطاقة، نحتاج أولاً إلى بذل جهد معين للتغلب على القوى التنافرية بين النوى الذرية المشحونة بشكل إيجابي (التغلب على حاجز كولوم). بعد أن تمكنا من جمع زوج من الذرات معًا إلى المسافة المطلوبة، يأتي التفاعل النووي القوي، الذي يربط النيوترونات والبروتونات. بالنسبة لكل نوع من أنواع الوقود، يختلف حاجز كولوم لبدء التفاعل، تمامًا كما تختلف درجة حرارة التفاعل المثالية:

في هذه الحالة، يبدأ تسجيل التفاعلات النووية الحرارية الأولى للذرات قبل وقت طويل من وصول متوسط ​​درجة حرارة المادة إلى هذا الحاجز بسبب حقيقة أن الطاقة الحركية للذرات تخضع لتوزيع ماكسويل:

لكن التفاعل عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا (في حدود عدة ملايين من الدرجات المئوية) يتم ببطء شديد. لنفترض أن درجة الحرارة في المركز تصل إلى 14 مليون درجة مئوية، لكن القوة النوعية للتفاعل النووي الحراري في مثل هذه الظروف تبلغ 276.5 واط/م3 فقط، وتستغرق الشمس عدة مليارات من السنين لتستهلك وقودها بالكامل. مثل هذه الظروف غير مقبولة بالنسبة لمفاعل نووي حراري، لأنه عند هذا المستوى المنخفض من إطلاق الطاقة، سننفق حتماً على تسخين وضغط الوقود النووي الحراري أكثر مما سنحصل عليه من التفاعل في المقابل.

ومع زيادة درجة حرارة الوقود، تبدأ نسبة متزايدة من الذرات تمتلك طاقة تتجاوز حاجز كولوم وتزداد كفاءة التفاعل، لتصل إلى ذروتها. مع زيادة أخرى في درجة الحرارة، يبدأ معدل التفاعل في الانخفاض مرة أخرى بسبب حقيقة أن الطاقة الحركية للذرات تصبح عالية جدًا و"تتجاوز" بعضها البعض، غير قادرة على التماسك معًا عن طريق التفاعل النووي القوي.

وهكذا، تم الحصول على حل كيفية الحصول على الطاقة من تفاعل نووي حراري متحكم فيه بسرعة كبيرة، لكن تنفيذ هذه المهمة استمر لمدة نصف قرن ولم يكتمل بعد. السبب وراء ذلك يكمن في الظروف المجنونة حقًا التي كان من الضروري فيها وضع الوقود النووي الحراري - للحصول على عائد إيجابي من التفاعل، يجب أن تكون درجة حرارته عدة عشرات الملايين من الدرجات المئوية.

لا يمكن لأي جدران أن تتحمل درجة الحرارة هذه فعليًا، ولكن هذه المشكلة أدت على الفور تقريبًا إلى حلها: نظرًا لأن المادة التي يتم تسخينها إلى درجات الحرارة هذه عبارة عن بلازما ساخنة (غاز متأين بالكامل) مشحونة بشكل إيجابي، فقد تبين أن المحلول موجود على السطح - كان علينا فقط وضع مثل هذه البلازما الساخنة في مجال مغناطيسي قوي، مما سيبقي الوقود النووي الحراري على مسافة آمنة من الجدران.

التقدم نحو تنفيذها

البحث في هذا الموضوع يسير في عدة اتجاهات في وقت واحد:

1. وباستخدام مغناطيس فائق التوصيل، يحاول العلماء تقليل الطاقة المستهلكة في إشعال التفاعل والحفاظ عليه؛
2. وبمساعدة أجيال جديدة من الموصلات الفائقة، يزداد تحريض المجال المغناطيسي داخل المفاعل، مما يجعل من الممكن الاحتفاظ بالبلازما بكثافات ودرجات حرارة أعلى، مما يزيد من القدرة النوعية للمفاعلات لكل وحدة حجم؛
3. تسمح أبحاث البلازما الساخنة والتقدم في تكنولوجيا الحوسبة بتحكم أفضل في تدفقات البلازما، مما يجعل مفاعلات الاندماج أقرب إلى حدود كفاءتها النظرية؛
4. التقدم في المجال السابق يسمح لنا أيضًا بالحفاظ على البلازما في حالة مستقرة لفترة أطول، مما يزيد من كفاءة المفاعل نظرًا لأننا لا نحتاج إلى إعادة تسخين البلازما في كثير من الأحيان.

على الرغم من كل الصعوبات والمشاكل التي تكمن في الطريق إلى رد فعل نووي حراري خاضع للرقابة، فإن هذه القصة تقترب بالفعل من نهايتها. في صناعة الطاقة، من المعتاد استخدام مؤشر EROEI - عائد الطاقة على استثمار الطاقة (نسبة الطاقة المنفقة في إنتاج الوقود إلى كمية الطاقة التي نحصل عليها منه في النهاية) لحساب كفاءة استهلاك الوقود. وبينما يستمر EROEI للفحم في النمو، وصل هذا المؤشر للنفط والغاز إلى ذروته في منتصف القرن الماضي وهو الآن ينخفض ​​بشكل مطرد بسبب حقيقة أن الرواسب الجديدة من هذا الوقود تقع في أماكن يتعذر الوصول إليها بشكل متزايد وفي أي وقت مضى. أعماق أكبر:

وفي الوقت نفسه، لا يمكننا أيضًا زيادة إنتاج الفحم لأن الحصول على الطاقة منه عملية قذرة للغاية وتودي بحياة الناس في الوقت الحالي بسبب أمراض الرئة المختلفة. بطريقة أو بأخرى، نحن الآن على عتبة نهاية عصر الوقود الأحفوري - وهذه ليست مكائد دعاة حماية البيئة، ولكن الحسابات الاقتصادية المبتذلة عند النظر إلى المستقبل. وفي الوقت نفسه، نما معدل العائد على الاستثمار (EROI) للمفاعلات النووية الحرارية التجريبية، والذي ظهر أيضًا في منتصف القرن الماضي، بشكل مطرد ووصل في عام 2007 إلى الحاجز النفسي لواحد - أي أن البشرية تمكنت هذا العام لأول مرة من الحصول على المزيد من الطاقة من خلال تفاعل نووي حراري مما أنفقته على تنفيذه. وعلى الرغم من أن تنفيذ المفاعل والتجارب معه وإنتاج العرض التوضيحي الأول لمحطة الطاقة النووية الحرارية بناءً على الخبرة المكتسبة أثناء تنفيذ ITER سيستغرق الكثير من الوقت. ولم يعد هناك أي شك في أن مستقبلنا يكمن في مثل هذه المفاعلات.

نقد البحوث

الانتقاد الرئيسي لأبحاث مفاعل الاندماج هو أن الأبحاث تسير ببطء شديد. وهذا صحيح - من التجارب الأولى إلى إنتاج تفاعل نووي حراري متعادل، استغرقنا ما يصل إلى 66 عامًا. لكن جوهر المشكلة هنا هو أن تمويل مثل هذه الأبحاث لم يصل أبدًا إلى المستوى المطلوب - وإليك مثال على تقديرات إدارة أبحاث وتطوير الطاقة الأمريكية لمستوى التمويل لمشروع مفاعل الاندماج ووقت الانتهاء منه:

وكما يتبين من هذا الرسم البياني، فمن المثير للدهشة ليس فقط أننا لا نزال لا نمتلك مفاعلات نووية حرارية تجارية تنتج الكهرباء، ولكننا تمكنا من تحقيق أي إنتاج طاقة إيجابي من المفاعلات التجريبية في الوقت الحالي.

وفقًا للمفاهيم الفيزيائية الفلكية الحديثة، فإن المصدر الرئيسي لطاقة الشمس والنجوم الأخرى هو الاندماج النووي الحراري الذي يحدث في أعماقها. في ظل الظروف الأرضية، يتم ذلك أثناء انفجار قنبلة هيدروجينية. يصاحب الاندماج النووي الحراري إطلاق هائل للطاقة لكل وحدة كتلة من المواد المتفاعلة (حوالي 10 ملايين مرة أكبر من التفاعلات الكيميائية). لذلك، من المهم جدًا إتقان هذه العملية واستخدامها لإنشاء مصدر طاقة رخيص وصديق للبيئة. ومع ذلك، على الرغم من أن فرقًا علمية وتقنية كبيرة في العديد من البلدان المتقدمة تشارك في الأبحاث المتعلقة بالاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة (CTF)، إلا أن العديد من المشكلات المعقدة لا تزال بحاجة إلى حل قبل أن يصبح الإنتاج الصناعي للطاقة النووية الحرارية حقيقة واقعة.

محطات الطاقة النووية الحديثة التي تستخدم عملية الانشطار لا تلبي احتياجات العالم من الكهرباء إلا جزئيًا. الوقود بالنسبة لهم هو العناصر المشعة الطبيعية اليورانيوم والثوريوم، والتي تكون وفرة واحتياطياتها في الطبيعة محدودة للغاية؛ ولذلك تواجه العديد من الدول مشكلة استيرادها. المكون الرئيسي للوقود النووي الحراري هو نظير الهيدروجين الديوتيريوم الموجود في مياه البحر. احتياطياته متاحة للعامة وهي كبيرة جدًا (تغطي محيطات العالم حوالي 71% من مساحة سطح الأرض، ويمثل الديوتيريوم حوالي 0.016% من إجمالي عدد ذرات الهيدروجين التي تشكل الماء). بالإضافة إلى توافر الوقود، تتمتع مصادر الطاقة النووية الحرارية بالمزايا الهامة التالية على محطات الطاقة النووية: 1) يحتوي مفاعل UTS على مواد مشعة أقل بكثير من مفاعل الانشطار النووي، وبالتالي فإن عواقب الإطلاق العرضي للمنتجات المشعة أقل خطير؛ 2) تنتج التفاعلات النووية الحرارية نفايات مشعة أقل عمرًا؛ 3) يسمح TCB بالاستلام المباشر للكهرباء.

الأساسيات الفيزيائية للاندماج النووي

يعتمد التنفيذ الناجح لتفاعل الاندماج على خصائص النوى الذرية المستخدمة والقدرة على الحصول على بلازما كثيفة ذات درجة حرارة عالية، وهو أمر ضروري لبدء التفاعل.

القوى النووية وردود الفعل.

يرجع إطلاق الطاقة أثناء الاندماج النووي إلى قوى الجذب الشديدة للغاية التي تعمل داخل النواة؛ تعمل هذه القوى على تجميع البروتونات والنيوترونات التي تشكل النواة. تكون شديدة للغاية على مسافات تتراوح بين 10-13 سم وتضعف بسرعة كبيرة مع زيادة المسافة. بالإضافة إلى هذه القوى، تخلق البروتونات ذات الشحنة الموجبة قوى تنافر إلكتروستاتيكية. نطاق القوى الكهروستاتيكية أكبر بكثير من نطاق القوى النووية، لذا فهي تبدأ بالهيمنة عند إبعاد النوى عن بعضها البعض.

كما أظهر G. Gamow، فإن احتمال حدوث تفاعل بين نواتين خفيفتين يقتربان يتناسب مع حيث ه – قاعدة اللوغاريتمات الطبيعية، ز 1 و ز 2 - عدد البروتونات في النوى المتفاعلة، دبليوهي طاقة نهجهم النسبي، و ك- مضاعف ثابت. تعتمد الطاقة اللازمة لإجراء التفاعل على عدد البروتونات الموجودة في كل نواة. إذا كان أكثر من ثلاثة، فهذه الطاقة كبيرة جدًا ويكون التفاعل مستحيلًا عمليًا. وهكذا مع زيادة ز 1 و ز 2- تقل احتمالية حدوث رد الفعل.

يتم تحديد احتمال تفاعل نواتين من خلال "المقطع العرضي للتفاعل"، الذي يتم قياسه في الحظائر (1 ب = 10 –24 سم 2). المقطع العرضي للتفاعل هو مساحة المقطع العرضي الفعالة للنواة التي يجب أن "تسقط" نواة أخرى فيها حتى يحدث تفاعلها. يصل المقطع العرضي لتفاعل الديوتيريوم مع التريتيوم إلى قيمته القصوى (~5 ب) عندما يكون للجسيمات المتفاعلة طاقة اقتراب نسبية تبلغ حوالي 200 كيلو إلكترون فولت. عند طاقة 20 كيلو إلكترون فولت، يصبح المقطع العرضي أقل من 0.1 ب.

ومن بين مليون جسيم متسارع يضرب الهدف، لا يدخل أكثر من جسيم واحد في التفاعل النووي. والباقي يبدد طاقته على إلكترونات الذرات المستهدفة ويتباطأ إلى سرعات يصبح عندها التفاعل مستحيلا. وبالتالي، فإن طريقة قصف هدف صلب بنوى متسارعة (كما كان الحال في تجربة كوكروفت-والتون) غير مناسبة للاندماج المتحكم فيه، لأن الطاقة التي يتم الحصول عليها في هذه الحالة أقل بكثير من الطاقة المستهلكة.

الوقود الانصهار.

ردود الفعل التي تنطوي على صوالتي تلعب دورًا رئيسيًا في عمليات الاندماج النووي في الشمس والنجوم المتجانسة الأخرى، ليست ذات أهمية عملية في ظل الظروف الأرضية لأن مقطعها العرضي صغير جدًا. بالنسبة للاندماج النووي الحراري على الأرض، فإن نوع الوقود الأكثر ملاءمة، كما ذكر أعلاه، هو الديوتيريوم.

لكن التفاعل الأكثر احتمالاً يحدث في خليط متساوٍ من الديوتيريوم والتريتيوم (خليط DT). لسوء الحظ، التريتيوم مشع، ونظرًا لنصف عمره القصير (T 1/2 ~ 12.3 سنة)، فهو غير موجود عمليًا في الطبيعة. ويتم إنتاجه صناعيًا في المفاعلات الانشطارية، وأيضًا كمنتج ثانوي في التفاعلات مع الديوتيريوم. ومع ذلك، فإن غياب التريتيوم في الطبيعة لا يشكل عائقًا أمام استخدام تفاعل الاندماج DT، منذ ذلك الحين يمكن إنتاج التريتيوم عن طريق تشعيع نظير 6 Li بالنيوترونات المنتجة أثناء التخليق: ن+ 6 لي ® 4 هو + ر.

إذا قمت بإحاطة الغرفة النووية الحرارية بطبقة من 6 Li (يحتوي الليثيوم الطبيعي على 7٪)، فيمكنك إعادة إنتاج التريتيوم المستهلك بالكامل. وعلى الرغم من أن بعض النيوترونات تُفقد حتمًا في الممارسة العملية، إلا أنه يمكن تعويض خسارتها بسهولة عن طريق إدخال عنصر مثل البريليوم في القشرة، حيث تنبعث نواتها، عندما يضربها نيوترون سريع، عنصرين.

مبدأ تشغيل المفاعل النووي الحراري.

يسمى تفاعل الاندماج للنوى الخفيفة، والذي يهدف إلى الحصول على طاقة مفيدة، بالاندماج النووي الحراري المتحكم فيه. يتم إجراؤه عند درجات حرارة تصل إلى مئات الملايين من الكلفن. وقد تم تنفيذ هذه العملية حتى الآن فقط في المختبرات.

ظروف الوقت ودرجة الحرارة.

لا يمكن الحصول على طاقة نووية حرارية مفيدة إلا في حالة استيفاء شرطين. أولا، يجب تسخين الخليط المخصص للتخليق إلى درجة حرارة توفر فيها الطاقة الحركية للنوى احتمالا كبيرا لاندماجها عند الاصطدام. ثانيًا، يجب أن يكون الخليط المتفاعل معزولًا حراريًا بشكل جيد جدًا (أي أنه يجب الحفاظ على درجة الحرارة المرتفعة لفترة كافية لحدوث العدد المطلوب من التفاعلات وتتجاوز الطاقة المنطلقة نتيجة لذلك الطاقة المستهلكة في تسخين الوقود).

وفي الشكل الكمي، يتم التعبير عن هذا الشرط على النحو التالي. لتسخين خليط نووي حراري، يجب إعطاء سنتيمتر مكعب واحد من حجمه طاقة ص 1 = knT، أين ك- معامل عددي، ن– كثافة الخليط (عدد الحبوب لكل 1 سم3)، ت– درجة الحرارة المطلوبة . للحفاظ على التفاعل، يجب الحفاظ على الطاقة المنقولة إلى الخليط النووي الحراري لفترة زمنية t. لكي يكون المفاعل مربحًا للطاقة، من الضروري أن يتم إطلاق طاقة نووية حرارية فيه خلال هذا الوقت أكثر مما تم إنفاقه على التدفئة. يتم التعبير عن الطاقة المنطلقة (أيضًا لكل 1 سم 3) على النحو التالي:

أين F(ت) – معامل يعتمد على درجة حرارة الخليط وتكوينه، ر- الطاقة المنطلقة في عملية اصطناع أولية واحدة. ثم شرط ربحية الطاقة ص 2 > ص 1 سوف يأخذ النموذج

أما المتباينة الأخيرة، والمعروفة بمعيار لوسون، فهي تعبير كمي عن متطلبات العزل الحراري المثالي. الجانب الأيمن - "رقم لوسون" - يعتمد فقط على درجة الحرارة وتركيبة الخليط، وكلما زاد ارتفاعه، زادت صرامة متطلبات العزل الحراري، أي. كلما زادت صعوبة إنشاء مفاعل. في منطقة درجات الحرارة المقبولة، رقم لوسون للديوتريوم النقي هو 1016 ثانية/سم3، وبالنسبة لخليط DT متساوي المكونات – 2×1014 ثانية/سم3. وبالتالي، فإن خليط DT هو الوقود الاندماجي المفضل.

وفقًا لمعيار لوسون، الذي يحدد القيمة النشطة للطاقة لمنتج الكثافة وزمن الحبس، يجب أن يستخدم المفاعل النووي الحراري أكبر حجم ممكن نأو ر. ولذلك، فقد تباعدت الأبحاث المتعلقة بالاندماج المتحكم فيه في اتجاهين مختلفين: في الأول، حاول الباحثون احتواء بلازما متخلخلة نسبيًا باستخدام مجال مغناطيسي لفترة طويلة بما فيه الكفاية؛ وفي الثانية، استخدام الليزر لإنشاء بلازما ذات كثافة عالية جدًا لفترة قصيرة. لقد تم تخصيص الكثير من العمل للنهج الأول مقارنة بالنهج الثاني.

الحبس البلازما المغناطيسي.

أثناء تفاعل الاندماج، يجب أن تظل كثافة الكاشف الساخن عند مستوى يوفر إنتاجًا عاليًا بما فيه الكفاية من الطاقة المفيدة لكل وحدة حجم عند ضغط يمكن أن تتحمله غرفة البلازما. على سبيل المثال، بالنسبة لخليط الديوتيريوم والتريتيوم عند درجة حرارة 108 كلفن، يتم تحديد المردود بالتعبير

إذا قبلنا صتساوي 100 واط/سم3 (وهو ما يعادل تقريباً الطاقة المنطلقة من عناصر الوقود في مفاعلات الانشطار النووي)، ثم الكثافة نينبغي أن يكون تقريبا. 10 15 نواة/سم3 والضغط المقابل ن.ت- حوالي 3 ميجا باسكال. في هذه الحالة، وفقًا لمعيار لوسون، يجب أن يكون وقت الاحتفاظ 0.1 ثانية على الأقل. بالنسبة لبلازما الديوتيريوم-الديوتيريوم عند درجة حرارة 10 9 كلفن

في هذه الحالة متى ص= 100 واط/سم3، ن» 3X10 15 نواة/سم 3 وضغط يبلغ حوالي 100 ميجا باسكال، سيكون وقت الاستبقاء المطلوب أكثر من ثانية واحدة. لاحظ أن هذه الكثافات لا تتجاوز 0.0001 من كثافة الهواء الجوي، لذلك يجب إخلاء حجرة المفاعل إلى فراغ عالي.

التقديرات المذكورة أعلاه لوقت الحبس ودرجة الحرارة والكثافة هي الحد الأدنى النموذجي من المعلمات المطلوبة لتشغيل مفاعل الاندماج، ويمكن تحقيقها بسهولة أكبر في حالة خليط الديوتيريوم والتريتيوم. أما بالنسبة للتفاعلات النووية الحرارية التي تحدث أثناء انفجار قنبلة هيدروجينية وفي أحشاء النجوم، فيجب أن يؤخذ في الاعتبار أنه بسبب الظروف المختلفة تمامًا، فإنها في الحالة الأولى تحدث بسرعة كبيرة، وفي الحالة الثانية - ببطء شديد مقارنة للعمليات في المفاعل النووي الحراري.

بلازما.

عندما يتم تسخين الغاز بقوة، تفقد ذراته بعض أو كل إلكتروناتها، مما يؤدي إلى تكوين جسيمات موجبة الشحنة تسمى الأيونات والإلكترونات الحرة. عند درجات حرارة أعلى من مليون درجة، يتأين الغاز المتكون من عناصر خفيفة بالكامل، أي. وتفقد كل ذرة من ذراته جميع إلكتروناتها. يُطلق على الغاز في الحالة المتأينة اسم البلازما (تم تقديم هذا المصطلح بواسطة I. Langmuir). تختلف خصائص البلازما بشكل كبير عن خصائص الغاز المحايد. وبما أن البلازما تحتوي على إلكترونات حرة، فإن البلازما موصلة للكهرباء بشكل جيد للغاية، وتكون موصليتها متناسبة مع ت 3/2. يمكن تسخين البلازما عن طريق تمرير تيار كهربائي من خلالها. موصلية بلازما الهيدروجين عند 108K هي نفس موصلية النحاس في درجة حرارة الغرفة. الموصلية الحرارية للبلازما عالية جدًا أيضًا.

للحفاظ على البلازما، على سبيل المثال، عند درجة حرارة 10 8 كلفن، يجب أن تكون معزولة حرارياً بشكل موثوق. من حيث المبدأ، يمكن عزل البلازما عن جدران الغرفة بوضعها في مجال مغناطيسي قوي. يتم ضمان ذلك من خلال القوى التي تنشأ عندما تتفاعل التيارات مع المجال المغناطيسي في البلازما.

تحت تأثير المجال المغناطيسي، تتحرك الأيونات والإلكترونات بشكل حلزوني على طول خطوط مجالها. من الممكن الانتقال من خط مجال إلى آخر أثناء تصادمات الجسيمات وعند تطبيق مجال كهربائي عرضي. في غياب المجالات الكهربائية، فإن البلازما المتخلخلة ذات درجة الحرارة العالية، والتي نادرًا ما تصطدم بها، سوف تنتشر ببطء عبر خطوط المجال المغناطيسي. إذا كانت خطوط المجال المغناطيسي مغلقة، مما يمنحها شكل حلقة، فإن جزيئات البلازما ستتحرك على طول هذه الخطوط، وتبقى في منطقة الحلقة. بالإضافة إلى هذا التكوين المغناطيسي المغلق لحبس البلازما، تم اقتراح أنظمة مفتوحة (مع خطوط مجال تمتد إلى الخارج من أطراف الحجرة)، حيث تبقى الجسيمات داخل الحجرة بسبب "المقابس" المغناطيسية التي تحد من حركة الجسيمات. يتم إنشاء المقابس المغناطيسية في نهايات الغرفة، حيث، نتيجة للزيادة التدريجية في شدة المجال، يتم تشكيل شعاع تضييق من خطوط المجال.

من الناحية العملية، ثبت أن الحبس المغناطيسي لبلازما ذات كثافة عالية بما فيه الكفاية ليس بالأمر السهل: غالبًا ما تنشأ فيه عدم الاستقرار الهيدروديناميكي المغناطيسي والحركي.

ترتبط حالات عدم الاستقرار الهيدروديناميكي المغناطيسي بالانحناءات والالتواءات في خطوط المجال المغناطيسي. في هذه الحالة، يمكن أن تبدأ البلازما في التحرك عبر المجال المغناطيسي على شكل كتل، وفي غضون بضعة أجزاء من المليون من الثانية ستترك منطقة الحبس وتتخلى عن الحرارة لجدران الغرفة. يمكن قمع حالات عدم الاستقرار هذه عن طريق إعطاء المجال المغناطيسي تكوينًا معينًا.

تتنوع حالات عدم الاستقرار الحركي بشكل كبير وقد تمت دراستها بتفصيل أقل. من بينها تلك التي تعطل العمليات المنظمة، مثل، على سبيل المثال، تدفق تيار كهربائي مباشر أو تيار من الجزيئات عبر البلازما. تتسبب حالات عدم الاستقرار الحركية الأخرى في معدل انتشار عرضي للبلازما في المجال المغناطيسي أعلى مما تنبأت به نظرية الاصطدام للبلازما الهادئة.

أنظمة ذات تكوين مغناطيسي مغلق.

إذا تم تطبيق مجال كهربائي قوي على غاز موصل متأين، سيظهر فيه تيار تفريغ، وفي نفس الوقت سيظهر مجال مغناطيسي محيط به. سيؤدي تفاعل المجال المغناطيسي مع التيار إلى ظهور قوى ضغط تعمل على جزيئات الغاز المشحونة. إذا كان التيار يتدفق على طول محور سلك البلازما الموصل، فإن القوى الشعاعية الناتجة، مثل الأربطة المطاطية، تضغط على الحبل، وتحرك حدود البلازما بعيدًا عن جدران الحجرة التي تحتوي عليه. هذه الظاهرة، التي تنبأ بها نظريًا دبليو بينيت في عام 1934 وأثبتها تجريبيًا لأول مرة بواسطة أ. وير في عام 1951، تسمى تأثير القرص. يتم استخدام طريقة القرصة لاحتواء البلازما؛ وتتمثل ميزته الرائعة في أن الغاز يتم تسخينه إلى درجات حرارة عالية بواسطة التيار الكهربائي نفسه (التسخين الأومي). أدت البساطة الأساسية للطريقة إلى استخدامها في المحاولات الأولى لاحتواء البلازما الساخنة، كما أن دراسة تأثير الضغط البسيط، على الرغم من استبداله لاحقًا بطرق أكثر تقدمًا، مكنت من فهم المشكلات بشكل أفضل. التي لا يزال المجربون يواجهونها اليوم.

بالإضافة إلى انتشار البلازما في الاتجاه الشعاعي، يلاحظ أيضًا الانجراف الطولي وخروجه عبر أطراف سلك البلازما. يمكن التخلص من الخسائر في الأطراف عن طريق إعطاء غرفة البلازما شكل دائري (طارة). في هذه الحالة، يتم الحصول على قرصة حلقية.

بالنسبة للضغطة البسيطة الموصوفة أعلاه، هناك مشكلة خطيرة تتمثل في عدم الاستقرار المغناطيسي الهيدروديناميكي المتأصل فيها. إذا حدث انحناء صغير في خيوط البلازما، فإن كثافة خطوط المجال المغناطيسي داخل الانحناء تزداد (الشكل 1). ستبدأ خطوط المجال المغناطيسي، التي تتصرف مثل الحزم المقاومة للضغط، في "الانتفاخ" بسرعة، بحيث يزداد الانحناء حتى يتم تدمير بنية سلك البلازما بالكامل. ونتيجة لذلك، سوف تتلامس البلازما مع جدران الغرفة وتبرد. للقضاء على هذه الظاهرة المدمرة، قبل تمرير التيار المحوري الرئيسي، يتم إنشاء مجال مغناطيسي طولي في الغرفة، والذي، إلى جانب المجال الدائري المطبق لاحقًا، "يصحح" الانحناء الأولي لعمود البلازما (الشكل 2). مبدأ تثبيت عمود البلازما بواسطة مجال محوري هو الأساس لمشروعين واعدين للمفاعلات النووية الحرارية - توكاماك وقرص بمجال مغناطيسي مقلوب.

فتح التكوينات المغناطيسية.

الاحتفاظ بالقصور الذاتي.

تظهر الحسابات النظرية أن الاندماج النووي الحراري ممكن دون استخدام المصائد المغناطيسية. وللقيام بذلك، يتم ضغط هدف مُعد خصيصًا (كرة من الديوتيريوم يبلغ نصف قطرها حوالي 1 مم) بسرعة إلى كثافات عالية بحيث يتوفر للتفاعل النووي الحراري الوقت الكافي لإكماله قبل أن يتبخر هدف الوقود. يمكن إجراء الضغط والتسخين إلى درجات الحرارة النووية الحرارية باستخدام نبضات ليزر فائقة القوة، مما يؤدي إلى تشعيع كرة الوقود بشكل موحد وفي نفس الوقت من جميع الجوانب (الشكل 4). ومع التبخر اللحظي لطبقاتها السطحية، تكتسب الجسيمات الهاربة سرعات عالية جدًا، وتتعرض الكرة لقوى ضغط كبيرة. وهي تشبه القوى التفاعلية التي تحرك الصاروخ، والفرق الوحيد هو أن هذه القوى هنا موجهة إلى الداخل، نحو مركز الهدف. يمكن لهذه الطريقة أن تخلق ضغوطًا تصل إلى 10 11 ميجا باسكال وكثافات أكبر 10000 مرة من كثافة الماء. عند مثل هذه الكثافة، سيتم إطلاق كل الطاقة النووية الحرارية تقريبًا على شكل انفجار صغير في وقت يتراوح بين 10 إلى 12 ثانية تقريبًا. إن الانفجارات الدقيقة التي تحدث، والتي يعادل كل منها 1-2 كجم من مادة تي إن تي، لن تسبب ضررًا للمفاعل، وتنفيذ سلسلة من هذه الانفجارات الصغيرة على فترات قصيرة من شأنه أن يجعل من الممكن تحقيق نتائج متواصلة تقريبًا إنتاج الطاقة المفيدة. بالنسبة للحبس بالقصور الذاتي، فإن تصميم هدف الوقود مهم جدًا. إن الهدف على شكل مجالات متحدة المركز مصنوعة من مواد ثقيلة وخفيفة سيسمح بتبخر الجسيمات بشكل أكثر كفاءة، وبالتالي، أكبر قدر من الضغط.

تظهر الحسابات أنه مع وجود طاقة إشعاع ليزر تصل إلى ميجا جول (10 6 جول) وكفاءة ليزر لا تقل عن 10%، فإن الطاقة النووية الحرارية المنتجة يجب أن تتجاوز الطاقة المستهلكة في ضخ الليزر. تتوفر منشآت الليزر النووي الحراري في مختبرات الأبحاث في روسيا والولايات المتحدة وأوروبا الغربية واليابان. وتجري حالياً دراسة إمكانية استخدام شعاع الأيونات الثقيلة بدلاً من شعاع الليزر أو دمج هذا الشعاع مع شعاع الضوء. بفضل التكنولوجيا الحديثة، تتمتع طريقة بدء التفاعل هذه بميزة على طريقة الليزر، لأنها تتيح للمرء الحصول على طاقة أكثر فائدة. العيب هو صعوبة تركيز الشعاع على الهدف.

وحدات ذات عقد مغناطيسي

تتم دراسة الطرق المغناطيسية لحبس البلازما في روسيا والولايات المتحدة واليابان وعدد من الدول الأوروبية. يتم إيلاء الاهتمام الرئيسي للمنشآت من النوع الحلقي، مثل التوكاماك والقرصة ذات المجال المغناطيسي المعكوس، والتي ظهرت نتيجة لتطور القرصات الأبسط مع المجال المغناطيسي الطولي المستقر.

لحبس البلازما باستخدام مجال مغناطيسي حلقي بجمن الضروري تهيئة الظروف التي لا تتحرك فيها البلازما نحو جدران الحيد. ويتم تحقيق ذلك عن طريق "التواء" خطوط المجال المغناطيسي (ما يسمى "التحول الدوراني"). ويتم هذا التواء بطريقتين. في الطريقة الأولى، يتم تمرير تيار عبر البلازما، مما يؤدي إلى تكوين القرص المستقر الذي تمت مناقشته بالفعل. المجال المغناطيسي للتيار بف ه – بف جنبا إلى جنب مع بيقوم j بإنشاء حقل ملخص بالضفيرة المطلوبة. لو بي ب q، يُعرف التكوين الناتج باسم توكاماك (اختصار لعبارة "غرفة توريدال ذات ملفات مغناطيسية"). تم تطوير توكاماك (الشكل 5) تحت قيادة L.A. Artsimovich في معهد الطاقة الذرية الذي سمي باسمه. I. V. كورشاتوف في موسكو. في بي ~ بف نحصل على تكوين قرصة مع مجال مغناطيسي معكوس.

في الطريقة الثانية، يتم استخدام ملفات حلزونية خاصة حول غرفة البلازما الحلقية لضمان توازن البلازما المحصورة. تخلق التيارات في هذه اللفات مجالًا مغناطيسيًا معقدًا، مما يؤدي إلى التواء خطوط قوة المجال الكلي داخل الحيد. تم تطوير مثل هذا التثبيت، المسمى stellarator، في جامعة برينستون (الولايات المتحدة الأمريكية) بواسطة L. Spitzer وزملائه.

توكاماك.

من المعلمات المهمة التي يعتمد عليها حبس البلازما الحلقية هو "هامش الاستقرار" س، متساوي آر بيي/ ر.ب.ف، حيث صو رهما نصف القطر الصغير والكبير للبلازما الحلقية، على التوالي. عند مستوى منخفض سقد يتطور عدم الاستقرار الحلزوني - وهو ما يشبه عدم استقرار الانحناء للقرصة المستقيمة. لقد أظهر العلماء في موسكو بشكل تجريبي أنه متى س> 1 (أي بي بف) يتم تقليل احتمال حدوث عدم استقرار المسمار إلى حد كبير. وهذا يجعل من الممكن الاستخدام الفعال للحرارة الناتجة عن التيار لتسخين البلازما. نتيجة لسنوات عديدة من البحث، تحسنت خصائص التوكاماك بشكل ملحوظ، ولا سيما بسبب زيادة توحيد المجال والتنظيف الفعال لغرفة التفريغ.

حفزت النتائج المشجعة التي تم الحصول عليها في روسيا على إنشاء التوكاماك في العديد من المختبرات حول العالم، وأصبح تكوينها موضوع بحث مكثف.

التسخين الأومي للبلازما في توكاماك ليس كافيًا لإجراء تفاعل اندماج نووي حراري. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه عند تسخين البلازما، تنخفض مقاومتها الكهربائية بشكل كبير، ونتيجة لذلك، ينخفض ​​\u200b\u200bتوليد الحرارة أثناء مرور التيار بشكل حاد. من المستحيل زيادة التيار في توكاماك فوق حد معين، لأن سلك البلازما قد يفقد الاستقرار ويسقط على جدران الغرفة. ولذلك، يتم استخدام طرق إضافية مختلفة لتسخين البلازما. وأكثرها فعالية هي حقن حزم ذرية محايدة عالية الطاقة وتشعيع الميكروويف. في الحالة الأولى، يتم تحييد الأيونات المتسارعة إلى طاقات تتراوح بين 50-200 كيلو إلكترون فولت (لتجنب "انعكاسها" مرة أخرى بواسطة المجال المغناطيسي عند إدخالها إلى الغرفة) وحقنها في البلازما. هنا يتم تأينهم مرة أخرى وفي عملية الاصطدامات يتخلون عن طاقتهم للبلازما. وفي الحالة الثانية، يتم استخدام إشعاع الميكروويف، الذي يساوي تردده تردد السيكلوترون الأيوني (تردد دوران الأيونات في المجال المغناطيسي). عند هذا التردد، تتصرف البلازما الكثيفة كجسم أسود تمامًا، أي. يمتص تماما الطاقة الحادثة. في JET tokamak التابع للاتحاد الأوروبي، تم الحصول على بلازما ذات درجة حرارة أيونية تبلغ 280 مليون كلفن وزمن احتجاز قدره 0.85 ثانية عن طريق حقن جزيئات محايدة. تم الحصول على طاقة نووية حرارية تصل إلى 2 ميجاوات باستخدام بلازما الديوتيريوم والتريتيوم. مدة الحفاظ على التفاعل محدودة بسبب ظهور الشوائب بسبب رش جدران الغرفة: تخترق الشوائب البلازما، وعندما تتأين، تزيد بشكل كبير من فقدان الطاقة بسبب الإشعاع. حاليًا، يتركز العمل في إطار برنامج JET على البحث في إمكانية التحكم في الشوائب وإزالتها بما يسمى. "المحول المغناطيسي".

تم أيضًا إنشاء توكاماك كبيرة في الولايات المتحدة الأمريكية - TFTR، في روسيا - T15 وفي اليابان - JT60. وقد أرست الأبحاث التي أجريت في هذه المرافق وغيرها الأساس لمرحلة أخرى من العمل في مجال الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة: ومن المقرر إطلاق مفاعل كبير للاختبارات التقنية في عام 2010. ومن المتوقع أن يكون هذا جهدا مشتركا بين الولايات المتحدة وروسيا والاتحاد الأوروبي واليابان. أنظر أيضاتوكاماك.

قرصة المجال المعكوس (FRP).

يختلف تكوين POP عن التوكاماك من حيث أنه بف~ ب j لكن في هذه الحالة يكون اتجاه المجال الحلقي خارج البلازما معاكسا لاتجاهه داخل عمود البلازما. أظهر J. Taylor أن مثل هذا النظام في حالة ذات الحد الأدنى من الطاقة وعلى الرغم من ذلك س

تتمثل ميزة تكوين POP في أن نسبة كثافات الطاقة الحجمية للبلازما والمجال المغناطيسي (القيمة ب) أكبر مما هي عليه في التوكاماك. من المهم بشكل أساسي أن يكون b كبيرًا قدر الإمكان، لأن هذا سيقلل من المجال الحلقي، وبالتالي يقلل من تكلفة الملفات التي تنشئه والهيكل الداعم بأكمله. تكمن نقطة ضعف POP في أن العزل الحراري لهذه الأنظمة أسوأ من عزل التوكاماك، ولم يتم حل مشكلة الحفاظ على المجال المعكوس.

ستيلاريتور.

في الستيلاريتور، يتم فرض حقل مغناطيسي حلقي مغلق بواسطة حقل تم إنشاؤه بواسطة ملف لولبي خاص حول جسم الكاميرا. يمنع المجال المغناطيسي الكلي انجراف البلازما بعيدًا عن المركز ويمنع أنواعًا معينة من عدم الاستقرار الهيدروديناميكي المغناطيسي. يمكن إنشاء البلازما نفسها وتسخينها بأي من الطرق المستخدمة في التوكاماك.

الميزة الرئيسية للستيلاريتور هي أن طريقة الحبس المستخدمة فيه لا ترتبط بوجود تيار في البلازما (كما هو الحال في التوكاماك أو في التركيبات القائمة على تأثير القرص)، وبالتالي يمكن أن يعمل الستيلاريتور في وضع ثابت. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يكون للملف اللولبي تأثير "المحول"، أي. تنقية البلازما من الشوائب وإزالة منتجات التفاعل.

تمت دراسة حبس البلازما في النجوم على نطاق واسع في مرافق في الاتحاد الأوروبي وروسيا واليابان والولايات المتحدة الأمريكية. في مفاعل Wendelstein VII stellarator في ألمانيا، كان من الممكن الحفاظ على بلازما لا تحمل تيارًا بدرجة حرارة تزيد عن 5×106 كلفن، وتسخينها عن طريق حقن شعاع ذري عالي الطاقة.

أظهرت الدراسات النظرية والتجريبية الحديثة أنه في معظم التركيبات الموصوفة، وخاصة في الأنظمة الحلقية المغلقة، يمكن زيادة وقت حبس البلازما عن طريق زيادة أبعادها الشعاعية والمجال المغناطيسي المحصور. على سبيل المثال، بالنسبة للتوكاماك، تم حساب أن معيار لوسون سيتم استيفاءه (وحتى مع بعض الهامش) عند شدة مجال مغناطيسي تبلغ حوالي 50 × 100 كجم ونصف قطر صغير للغرفة الحلقية يبلغ تقريبًا. 2 م هذه هي معلمات التركيب لـ 1000 ميجاوات من الكهرباء.

عند إنشاء مثل هذه المنشآت الكبيرة مع حبس البلازما المغناطيسي، تنشأ مشاكل تكنولوجية جديدة تمامًا. لإنشاء مجال مغناطيسي يصل إلى 50 كيلوجرام في حجم عدة أمتار مكعبة باستخدام ملفات نحاسية مبردة بالماء، ستكون هناك حاجة إلى مصدر للكهرباء بسعة عدة مئات من الميغاواط. لذلك، فمن الواضح أن ملفات الملف يجب أن تكون مصنوعة من مواد فائقة التوصيل، مثل سبائك النيوبيوم مع التيتانيوم أو القصدير. مقاومة هذه المواد للتيار الكهربائي في حالة التوصيل الفائق هي صفر، وبالتالي، سيتم استهلاك الحد الأدنى من الكهرباء للحفاظ على المجال المغناطيسي.

تكنولوجيا المفاعلات.

آفاق البحوث النووية الحرارية.

وقد أظهرت التجارب التي أجريت على المنشآت من نوع توكاماك أن هذا النظام يعد واعدًا جدًا كأساس محتمل لمفاعل CTS. تم الحصول على أفضل النتائج حتى الآن مع التوكاماك، وهناك أمل في أنه مع زيادة مقابلة في حجم المنشآت، سيكون من الممكن تنفيذ CTS الصناعية عليها. ومع ذلك، فإن التوكاماك ليس اقتصاديًا بدرجة كافية. للتخلص من هذا العيب، من الضروري ألا يعمل في الوضع النبضي، كما هو الآن، ولكن في الوضع المستمر. لكن الجوانب المادية لهذه المشكلة لم تتم دراستها بشكل كافٍ بعد. ومن الضروري أيضًا تطوير الوسائل التقنية التي من شأنها تحسين معلمات البلازما والقضاء على عدم استقرارها. بالنظر إلى كل هذا، لا ينبغي لنا أن ننسى الخيارات الأخرى الممكنة، وإن كانت أقل تطورًا، لمفاعل نووي حراري، على سبيل المثال، المفاعل النجمي أو قرصة المجال العكسي. وصلت حالة الأبحاث في هذا المجال إلى المرحلة التي يوجد فيها تصميمات مفاعلية مفاهيمية لمعظم أنظمة الحبس المغناطيسي للبلازما ذات درجة الحرارة العالية ولبعض أنظمة الحبس بالقصور الذاتي. مثال على التطور الصناعي للتوكاماك هو مشروع برج الحمل (الولايات المتحدة الأمريكية).

يعد الاندماج النووي الحراري المتحكم فيه عملية فيزيائية مثيرة للاهتمام يمكنها (لا تزال من الناحية النظرية) إنقاذ العالم من الاعتماد على مصادر الوقود الأحفوري في الطاقة. تعتمد العملية على تخليق النوى الذرية من النوى الأخف إلى الأثقل مع إطلاق الطاقة. وعلى النقيض من الاستخدام الآخر للذرة، أي إطلاق الطاقة منها في المفاعلات النووية أثناء اضمحلالها، 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 مشكلة 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