Η θερμοπυρηνική σύντηξη 2 δείχνει. Θερμοπυρηνική σύντηξη. Πώς οι επιστήμονες της Σιβηρίας βοήθησαν τον άνθρωπο να πετάξει στα αστέρια

Από παιδί μου άρεσε να διαβάζω το περιοδικό «Επιστήμη και Ζωή»· στο χωριό υπήρχε ένα βιβλιοδέτη από τη δεκαετία του '60. Εκεί μιλούσαν συχνά για τη θερμοπυρηνική σύντηξη με χαρούμενο τρόπο - είναι σχεδόν εδώ, και θα συμβεί! Πολλές χώρες, για να καλύψουν τη διαφορά στη διανομή δωρεάν ενέργειας, κατασκεύασαν Tokamaks (και δημιούργησαν συνολικά 300 από αυτά σε όλο τον κόσμο).

Τα χρόνια πέρασαν... Τώρα είναι 2013, και η ανθρωπότητα εξακολουθεί να παίρνει το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειάς της από την καύση άνθρακα, όπως τον 19ο αιώνα. Γιατί συνέβη αυτό, τι εμποδίζει τη δημιουργία ενός θερμοπυρηνικού αντιδραστήρα και τι μπορούμε να περιμένουμε στο μέλλον - κάτω από την περικοπή.

Θεωρία

Οι πιο ρεαλιστικές και πρακτικά ενδιαφέρουσες αντιδράσεις σύνθεσης είναι:

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) p+ 11 B -> 3 4 He + 8,7 MeV

Αυτές οι αντιδράσεις χρησιμοποιούν Δευτέριο (D) - μπορεί να ληφθεί απευθείας από θαλασσινό νερό, Τρίτιο (Τ) - ένα ραδιενεργό ισότοπο υδρογόνου, τώρα λαμβάνεται ως απόβλητο σε συμβατικούς πυρηνικούς αντιδραστήρες και μπορεί να παραχθεί ειδικά από λίθιο. Το Ήλιο-3 φαίνεται να βρίσκεται στη Σελήνη, όπως όλοι ήδη γνωρίζουμε. Βόριο-11 - το φυσικό βόριο αποτελείται από 80% βόριο-11. p (πρωτίου, άτομο υδρογόνου) - συνηθισμένο υδρογόνο.

Για σύγκριση, η σχάση των 235 U απελευθερώνει ~202,5 ​​MeV ενέργειας, δηλ. πολύ περισσότερο από ό,τι με μια αντίδραση σύντηξης ανά 1 άτομο (αλλά ανά κιλό καυσίμου - φυσικά, το θερμοπυρηνικό καύσιμο παρέχει περισσότερη ενέργεια).

Οι αντιδράσεις 1 και 2 παράγουν πολλά νετρόνια πολύ υψηλής ενέργειας, τα οποία καθιστούν ολόκληρη τη δομή του αντιδραστήρα ραδιενεργό. Αλλά οι αντιδράσεις 3 και 4 - «ελεύθερες νετρονίων» (ανευτρονικές) - δεν παράγουν επαγόμενη ακτινοβολία. Δυστυχώς, οι παράπλευρες αντιδράσεις εξακολουθούν να παραμένουν, για παράδειγμα από την αντίδραση 3 - το δευτέριο θα αντιδράσει με τον εαυτό του και θα εξακολουθεί να υπάρχει μια μικρή ποσότητα ακτινοβολίας νετρονίων.

Η αντίδραση 4 είναι ενδιαφέρουσα γιατί ως αποτέλεσμα παίρνουμε 3 σωματίδια άλφα, από τα οποία η ενέργεια μπορεί θεωρητικά να αφαιρεθεί άμεσα (καθώς στην πραγματικότητα αντιπροσωπεύουν κινούμενα φορτία = ρεύμα).

Γενικά, υπάρχουν αρκετές ενδιαφέρουσες αντιδράσεις. Το μόνο ερώτημα είναι πόσο εύκολο είναι να τα εφαρμόσεις στην πραγματικότητα;

Για την πολυπλοκότητα της αντίδρασηςΗ ανθρωπότητα έχει κατακτήσει τη σχάση του 235 U σχετικά εύκολα: δεν υπάρχει καμία δυσκολία εδώ - καθώς τα νετρόνια δεν έχουν φορτίο, μπορούν κυριολεκτικά να «σέρνουν» μέσα από τον πυρήνα ακόμη και με πολύ χαμηλή ταχύτητα. Στους περισσότερους αντιδραστήρες σχάσης, χρησιμοποιούνται θερμικά νετρόνια - η ταχύτητα της κίνησής τους είναι συγκρίσιμη με την ταχύτητα της θερμικής κίνησης των ατόμων.

Αλλά κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης σύντηξης, έχουμε 2 πυρήνες με φορτίο και απωθούνται μεταξύ τους. Για να τα φέρουν πιο κοντά στην απόσταση που απαιτείται για μια αντίδραση, πρέπει να κινηθούν με επαρκή ταχύτητα. Αυτή η ταχύτητα μπορεί να επιτευχθεί είτε σε έναν επιταχυντή (όταν όλα τα άτομα καταλήγουν να κινούνται με την ίδια βέλτιστη ταχύτητα), είτε με θέρμανση (όταν τα άτομα πετούν τυχαία σε τυχαίες κατευθύνσεις και σε τυχαίες ταχύτητες).

Ακολουθεί ένα γράφημα που δείχνει τον ρυθμό αντίδρασης (διατομή) ως συνάρτηση της ταχύτητας (=ενέργεια) των ατόμων που συγκρούονται:

Εδώ είναι το ίδιο πράγμα, αλλά βασίζεται στη θερμοκρασία του πλάσματος, λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι τα άτομα εκεί πετούν με τυχαίες ταχύτητες:


Βλέπουμε αμέσως ότι η αντίδραση D+T είναι η πιο «ελαφριά» (χρειάζεται σχεδόν 100 εκατομμύρια βαθμούς), η D+D είναι περίπου 100 φορές πιο αργή στις ίδιες θερμοκρασίες, η D+ 3 He είναι ταχύτερη από την ανταγωνιστική D+D μόνο σε θερμοκρασίες της τάξης του 1 δισεκατομμυρίου βαθμών.

Έτσι, μόνο η αντίδραση D+T είναι τουλάχιστον εξ αποστάσεως προσβάσιμη στον άνθρωπο, με όλα τα μειονεκτήματά της (ραδιενέργεια τριτίου, δυσκολίες απόκτησής του, ακτινοβολία που προκαλείται από νετρόνια).

Αλλά όπως καταλαβαίνετε, η λήψη και θέρμανση κάτι στους εκατό εκατομμύρια βαθμούς και αφήστε το να αντιδράσει δεν θα λειτουργήσει - οποιαδήποτε θερμαινόμενα αντικείμενα εκπέμπουν φως και έτσι κρυώνουν γρήγορα. Το πλάσμα που θερμαίνεται σε εκατοντάδες εκατομμύρια βαθμούς λάμπει στην περιοχή των ακτίνων Χ και το πιο λυπηρό είναι ότι είναι διαφανές σε αυτό. Εκείνοι. Το πλάσμα σε μια τέτοια θερμοκρασία ψύχεται μοιραία γρήγορα, και για να διατηρήσετε τη θερμοκρασία πρέπει να αντλείτε συνεχώς γιγαντιαία ενέργεια για να διατηρήσετε τη θερμοκρασία.

Ωστόσο, λόγω του γεγονότος ότι υπάρχει πολύ λίγο αέριο σε έναν θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα (για παράδειγμα, στον ITER - μόνο μισό γραμμάριο), όλα δεν αποδεικνύονται τόσο άσχημα: για να θερμάνετε 0,5 g υδρογόνου στους 100 εκατομμύρια βαθμούς πρέπει να ξοδέψετε περίπου την ίδια ποσότητα ενέργειας με τη θέρμανση 186 λίτρων νερού στους 100 βαθμούς.

Το έργο ολοκληρώθηκε στις 30 Σεπτεμβρίου 2012. Αποδείχθηκε ότι υπήρχαν ανακρίβειες στο μοντέλο του υπολογιστή. Σύμφωνα με μια νέα εκτίμηση, η ισχύς παλμού που επιτυγχάνεται στο NIF είναι 1,8 megajoules - 33-50% της απαιτούμενης για την απελευθέρωση της ίδιας ποσότητας ενέργειας που δαπανήθηκε.

Μηχανή Sandy ZΗ ιδέα είναι η εξής: ας πάρουμε ένα μεγάλο σωρό πυκνωτών υψηλής τάσης και ας τους εκφορτίσουμε ξαφνικά μέσω λεπτών καλωδίων βολφραμίου στο κέντρο του μηχανήματος. Τα καλώδια εξατμίζονται αμέσως και ένα τεράστιο ρεύμα 27 εκατομμυρίων αμπέρ συνεχίζει να ρέει μέσα από αυτά για 95 νανοδευτερόλεπτα. Το πλάσμα, που θερμαίνεται σε εκατομμύρια και δισεκατομμύρια (!) βαθμούς, εκπέμπει ακτίνες Χ και τις συμπιέζει σε μια κάψουλα με ένα μείγμα δευτερίου-τριτίου στο κέντρο (η ενέργεια του παλμού των ακτίνων Χ είναι 2,7 megajoules).

Προβλέπεται η αναβάθμιση του συστήματος με χρήση ρωσικού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής (Linear Transformer Driver - LTD). Οι πρώτες δοκιμές αναμένονται το 2013, στις οποίες η ενέργεια που λαμβάνεται θα συγκριθεί με την ενέργεια που δαπανήθηκε (Q=1). Ίσως αυτή η κατεύθυνση να έχει την ευκαιρία να ταιριάξει και να ξεπεράσει τα tokamaks στο μέλλον.

Dense Plasma Focus - DPF- «καταρρέει» το πλάσμα που τρέχει κατά μήκος των ηλεκτροδίων, παράγοντας γιγάντιες θερμοκρασίες. Τον Μάρτιο του 2012, επιτεύχθηκε θερμοκρασία 1,8 δισεκατομμυρίων βαθμών σε μια εγκατάσταση που λειτουργούσε με αυτήν την αρχή.

Ανυψωμένο δίπολο- ένα «ανεστραμμένο» τοκαμάκ, στο κέντρο του θαλάμου κενού κρέμεται ένας υπεραγώγιμος μαγνήτης σε σχήμα δακτύλου που συγκρατεί το πλάσμα. Σε ένα τέτοιο σχήμα, το πλάσμα υπόσχεται να είναι σταθερό από μόνο του. Αλλά το έργο δεν έχει χρηματοδότηση τώρα· φαίνεται ότι η αντίδραση σύνθεσης δεν πραγματοποιήθηκε απευθείας στην εγκατάσταση.

Συντήκτης Farnsworth–HirschΗ ιδέα είναι απλή - τοποθετούμε δύο σφαιρικά πλέγματα σε έναν θάλαμο κενού γεμάτο με δευτέριο ή ένα μείγμα δευτερίου-τριτίου και εφαρμόζουμε δυναμικό 50-200 χιλιάδων βολτ μεταξύ τους. Σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, τα άτομα αρχίζουν να πετούν γύρω από το κέντρο του θαλάμου, μερικές φορές συγκρούονται μεταξύ τους.

Υπάρχει μια απόδοση νετρονίων, αλλά είναι αρκετά μικρή. Μεγάλες απώλειες ενέργειας λόγω bremsstrahlung ακτίνων Χ, το εσωτερικό πλέγμα θερμαίνεται γρήγορα και εξατμίζεται από συγκρούσεις με άτομα και ηλεκτρόνια. Αν και ο σχεδιασμός είναι ενδιαφέρον από ακαδημαϊκή άποψη (κάθε μαθητής μπορεί να το συναρμολογήσει), η απόδοση της παραγωγής νετρονίων είναι πολύ χαμηλότερη από τους γραμμικούς επιταχυντές.

Polywellείναι καλές υπενθυμίσεις ότι δεν είναι όλες οι εργασίες σύντηξης δημόσιες. Το έργο χρηματοδοτήθηκε από το Πολεμικό Ναυτικό των ΗΠΑ και ταξινομήθηκε μέχρι να ληφθούν αρνητικά αποτελέσματα.

Η ιδέα είναι μια ανάπτυξη του fusor Farnsworth–Hirsch. Αντικαθιστούμε το κεντρικό αρνητικό ηλεκτρόδιο, που είχε τα περισσότερα προβλήματα, με ένα νέφος ηλεκτρονίων που συγκρατείται από ένα μαγνητικό πεδίο στο κέντρο του θαλάμου. Όλα τα δοκιμαστικά μοντέλα είχαν κανονικούς και όχι υπεραγώγιμους μαγνήτες. Η αντίδραση παρήγαγε μεμονωμένα νετρόνια. Γενικά, καμία επανάσταση. Ίσως μια αύξηση του μεγέθους και των υπεραγώγιμων μαγνητών θα άλλαζαν κάτι.

Κατάλυση μιονίων- μια ριζικά διαφορετική ιδέα. Παίρνουμε ένα αρνητικά φορτισμένο μιόνιο και το αντικαθιστούμε με ένα ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο. Δεδομένου ότι ένα μιόνιο είναι 207 φορές βαρύτερο από ένα ηλεκτρόνιο, τα 2 άτομα σε ένα μόριο υδρογόνου θα είναι πολύ πιο κοντά το ένα στο άλλο και θα συμβεί μια αντίδραση σύντηξης. Το μόνο πρόβλημα είναι ότι εάν το ήλιο σχηματιστεί ως αποτέλεσμα της αντίδρασης (~1% πιθανότητα) και το μιόνιο πετάξει μαζί του, δεν θα μπορεί πλέον να συμμετέχει σε αντιδράσεις (καθώς το ήλιο δεν σχηματίζει χημική ένωση με υδρογόνο).

Το πρόβλημα εδώ είναι ότι η παραγωγή ενός μιονίου απαιτεί επί του παρόντος περισσότερη ενέργεια από ό,τι μπορεί να ληφθεί στην αλυσίδα των αντιδράσεων, και επομένως η ενέργεια δεν μπορεί να ληφθεί ακόμα εδώ.

«Ψυχρή» θερμοπυρηνική σύντηξη(αυτό δεν περιλαμβάνει την «κρύα» κατάλυση μιονίων) - ήταν εδώ και πολύ καιρό ένα βοσκότοπο για ψευδοεπιστήμονες. Δεν υπάρχουν επιστημονικά αποδεδειγμένα ή ανεξάρτητα επαναλαμβανόμενα θετικά αποτελέσματα. Και υπήρξαν αισθήσεις στο επίπεδο του κίτρινου τύπου περισσότερες από μία φορές ακόμη και πριν από το E-Cat του Andrea Rossi.

​Επιστήμονες στο Εργαστήριο Φυσικής Πλάσματος του Πρίνστον πρότειναν την ιδέα της μακροβιότερης συσκευής πυρηνικής σύντηξης που μπορεί να λειτουργήσει για περισσότερα από 60 χρόνια. Αυτή τη στιγμή, αυτό είναι ένα δύσκολο έργο: οι επιστήμονες αγωνίζονται να κάνουν έναν θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα να λειτουργήσει για λίγα λεπτά - και μετά χρόνια. Παρά την πολυπλοκότητα, η κατασκευή ενός θερμοπυρηνικού αντιδραστήρα είναι ένα από τα πιο πολλά υποσχόμενα καθήκοντα στην επιστήμη, που μπορεί να αποφέρει τεράστια οφέλη. Σας λέμε τι πρέπει να γνωρίζετε για τη θερμοπυρηνική σύντηξη.

1. Τι είναι η θερμοπυρηνική σύντηξη;

Μην σας τρομάζει αυτή η δυσκίνητη φράση, είναι στην πραγματικότητα αρκετά απλή. Η σύντηξη είναι ένας τύπος πυρηνικής αντίδρασης.

Κατά τη διάρκεια μιας πυρηνικής αντίδρασης, ο πυρήνας ενός ατόμου αλληλεπιδρά είτε με ένα στοιχειώδες σωματίδιο είτε με τον πυρήνα ενός άλλου ατόμου, λόγω του οποίου αλλάζει η σύσταση και η δομή του πυρήνα. Ένας βαρύς ατομικός πυρήνας μπορεί να διασπαστεί σε δύο ή τρεις ελαφρύτερους - αυτή είναι μια αντίδραση σχάσης. Υπάρχει επίσης μια αντίδραση σύντηξης: αυτή είναι όταν δύο ελαφροί ατομικοί πυρήνες συγχωνεύονται σε έναν βαρύ.

Σε αντίθεση με την πυρηνική σχάση, η οποία μπορεί να συμβεί είτε αυθόρμητα είτε αναγκαστικά, η πυρηνική σύντηξη είναι αδύνατη χωρίς την παροχή εξωτερικής ενέργειας. Όπως γνωρίζετε, τα αντίθετα έλκονται, αλλά οι ατομικοί πυρήνες είναι θετικά φορτισμένοι - επομένως απωθούνται μεταξύ τους. Αυτή η κατάσταση ονομάζεται φράγμα Coulomb. Για να ξεπεραστεί η απώθηση, αυτά τα σωματίδια πρέπει να επιταχυνθούν σε τρελές ταχύτητες. Αυτό μπορεί να γίνει σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες - της τάξης πολλών εκατομμυρίων Kelvin. Αυτές οι αντιδράσεις είναι που ονομάζονται θερμοπυρηνικές.

2. Γιατί χρειαζόμαστε τη θερμοπυρηνική σύντηξη;

Κατά τη διάρκεια των πυρηνικών και θερμοπυρηνικών αντιδράσεων, απελευθερώνεται μια τεράστια ποσότητα ενέργειας, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διάφορους σκοπούς - μπορείτε να δημιουργήσετε ισχυρά όπλα ή μπορείτε να μετατρέψετε την πυρηνική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια και να την προμηθεύσετε σε ολόκληρο τον κόσμο. Η ενέργεια πυρηνικής αποσύνθεσης χρησιμοποιείται εδώ και πολύ καιρό σε πυρηνικούς σταθμούς. Αλλά η θερμοπυρηνική ενέργεια φαίνεται πιο ελπιδοφόρα. Σε μια θερμοπυρηνική αντίδραση, απελευθερώνεται πολύ περισσότερη ενέργεια για κάθε νουκλεόνιο (τους λεγόμενους πυρήνες, πρωτόνια και νετρόνια) απ' ό,τι σε μια πυρηνική αντίδραση. Για παράδειγμα, όταν η σχάση ενός πυρήνα ουρανίου σε ένα νουκλεόνιο παράγει 0,9 MeV (μεγαηλεκτρονβολτ) και ότανΚατά τη σύντηξη των πυρήνων του ηλίου, απελευθερώνεται ενέργεια ίση με 6 MeV από τους πυρήνες του υδρογόνου. Επομένως, οι επιστήμονες μαθαίνουν να πραγματοποιούν θερμοπυρηνικές αντιδράσεις.

Η έρευνα για τη θερμοπυρηνική σύντηξη και η κατασκευή αντιδραστήρων καθιστούν δυνατή την επέκταση της παραγωγής υψηλής τεχνολογίας, η οποία είναι χρήσιμη σε άλλους τομείς της επιστήμης και της υψηλής τεχνολογίας.

3. Τι είναι οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις;

Οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις χωρίζονται σε αυτοσυντηρούμενες, ανεξέλεγκτες (χρησιμοποιούνται σε βόμβες υδρογόνου) και ελεγχόμενες (κατάλληλες για ειρηνικούς σκοπούς).

Οι αυτοσυντηρούμενες αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό των άστρων. Ωστόσο, δεν υπάρχουν συνθήκες στη Γη για να πραγματοποιηθούν τέτοιες αντιδράσεις.

Οι άνθρωποι διεξάγουν ανεξέλεγκτη ή εκρηκτική θερμοπυρηνική σύντηξη για μεγάλο χρονικό διάστημα. Το 1952, κατά τη διάρκεια της επιχείρησης Ivy Mike, οι Αμερικανοί πυροδότησαν τον πρώτο θερμοπυρηνικό εκρηκτικό μηχανισμό στον κόσμο, ο οποίος δεν είχε καμία πρακτική αξία ως όπλο. Και τον Οκτώβριο του 1961, δοκιμάστηκε η πρώτη στον κόσμο θερμοπυρηνική (υδρογόνο) βόμβα ("Τσάρος Μπόμπα", "Η Μητέρα του Κούζκα"), που αναπτύχθηκε από Σοβιετικούς επιστήμονες υπό την ηγεσία του Ιγκόρ Κουρτσάτοφ. Ήταν ο πιο ισχυρός εκρηκτικός μηχανισμός σε ολόκληρη την ιστορία της ανθρωπότητας: η συνολική ενέργεια της έκρηξης, σύμφωνα με διάφορες πηγές, κυμαινόταν από 57 έως 58,6 μεγατόνους TNT. Για να πυροδοτήσετε μια βόμβα υδρογόνου, είναι απαραίτητο να αποκτήσετε πρώτα υψηλή θερμοκρασία κατά τη διάρκεια μιας συμβατικής πυρηνικής έκρηξης - μόνο τότε οι ατομικοί πυρήνες θα αρχίσουν να αντιδρούν.

Η ισχύς μιας έκρηξης κατά τη διάρκεια μιας ανεξέλεγκτης πυρηνικής αντίδρασης είναι πολύ υψηλή, και επιπλέον, το ποσοστό της ραδιενεργής μόλυνσης είναι υψηλό. Επομένως, για να χρησιμοποιηθεί η θερμοπυρηνική ενέργεια για ειρηνικούς σκοπούς, είναι απαραίτητο να μάθουμε πώς να την ελέγχουμε.

4. Τι χρειάζεται για μια ελεγχόμενη θερμοπυρηνική αντίδραση;

Κράτα το πλάσμα!

Ασαφές? Ας εξηγήσουμε τώρα.

Πρώτον, ατομικοί πυρήνες. Στην πυρηνική ενέργεια, χρησιμοποιούνται ισότοπα - άτομα που διαφέρουν μεταξύ τους στον αριθμό των νετρονίων και, κατά συνέπεια, στην ατομική μάζα. Το ισότοπο υδρογόνου δευτερίου (D) λαμβάνεται από νερό. Το υπερβαρύ υδρογόνο ή τρίτιο (Τ) είναι ένα ραδιενεργό ισότοπο υδρογόνου που είναι υποπροϊόν αντιδράσεων διάσπασης που πραγματοποιούνται σε συμβατικούς πυρηνικούς αντιδραστήρες. Επίσης, στις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις, χρησιμοποιείται ένα ελαφρύ ισότοπο υδρογόνου - πρωτίιο: αυτό είναι το μόνο σταθερό στοιχείο που δεν έχει νετρόνια στον πυρήνα. Το ήλιο-3 βρίσκεται στη Γη σε αμελητέες ποσότητες, αλλά υπάρχει πολύ στο σεληνιακό έδαφος (regolith): τη δεκαετία του '80, η NASA ανέπτυξε ένα σχέδιο για υποθετικές εγκαταστάσεις για την επεξεργασία του ρεγολίθου και την απελευθέρωση ενός πολύτιμου ισοτόπου. Αλλά ένα άλλο ισότοπο είναι ευρέως διαδεδομένο στον πλανήτη μας - το βόριο-11. Το 80% του βορίου στη Γη είναι ένα ισότοπο απαραίτητο για τους πυρηνικούς επιστήμονες.

Δεύτερον, η θερμοκρασία είναι πολύ υψηλή. Η ουσία που συμμετέχει στη θερμοπυρηνική αντίδραση πρέπει να είναι ένα σχεδόν πλήρως ιονισμένο πλάσμα - αυτό είναι ένα αέριο στο οποίο ελεύθερα ηλεκτρόνια και ιόντα διαφορετικών φορτίων επιπλέουν χωριστά. Για να μετατραπεί μια ουσία σε πλάσμα, απαιτείται θερμοκρασία 10 7 – 10 8 K - αυτό είναι εκατοντάδες εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου! Τέτοιες εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες μπορούν να επιτευχθούν με τη δημιουργία ηλεκτρικών εκκενώσεων υψηλής ισχύος στο πλάσμα.

Ωστόσο, δεν μπορείτε απλά να θερμάνετε τα απαραίτητα χημικά στοιχεία. Οποιοσδήποτε αντιδραστήρας θα εξατμιστεί αμέσως σε τέτοιες θερμοκρασίες. Αυτό απαιτεί μια εντελώς διαφορετική προσέγγιση. Σήμερα είναι δυνατό να περιέχει πλάσμα σε περιορισμένη περιοχή χρησιμοποιώντας εξαιρετικά ισχυρούς ηλεκτρικούς μαγνήτες. Αλλά δεν έχει καταστεί ακόμη δυνατό να χρησιμοποιηθεί πλήρως η ενέργεια που λαμβάνεται ως αποτέλεσμα μιας θερμοπυρηνικής αντίδρασης: ακόμη και υπό την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου, το πλάσμα εξαπλώνεται στο διάστημα.

5. Ποιες αντιδράσεις είναι πιο ελπιδοφόρες;

Οι κύριες πυρηνικές αντιδράσεις που σχεδιάζονται να χρησιμοποιηθούν για ελεγχόμενη σύντηξη θα χρησιμοποιούν δευτέριο (2Η) και τρίτιο (3Η) και μακροπρόθεσμα ήλιο-3 (3He) και βόριο-11 (11Β).

Δείτε πώς μοιάζουν οι πιο ενδιαφέρουσες αντιδράσεις.

1) 2 D+ 3 T -> 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV) - αντίδραση δευτερίου-τριτίου.

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% - αυτό είναι το λεγόμενο μονοπροωθητικό δευτερίου.

Οι αντιδράσεις 1 και 2 είναι γεμάτες με ραδιενεργό μόλυνση νετρονίων. Επομένως, οι αντιδράσεις «ελεύθερες νετρονίων» είναι οι πιο υποσχόμενες.

3) 2 D+ 3 He -> 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV) - το δευτέριο αντιδρά με ήλιο-3. Το πρόβλημα είναι ότι το ήλιο-3 είναι εξαιρετικά σπάνιο. Ωστόσο, η απόδοση χωρίς νετρόνια κάνει αυτή την αντίδραση πολλά υποσχόμενη.

4) p+ 11 B -> 3 4 He + 8,7 MeV - το βόριο-11 αντιδρά με το πρωτίου, με αποτέλεσμα σωματίδια άλφα που μπορούν να απορροφηθούν από το φύλλο αλουμινίου.

6. Πού να πραγματοποιηθεί μια τέτοια αντίδραση;

Ένας φυσικός θερμοπυρηνικός αντιδραστήρας είναι ένα αστέρι. Σε αυτό, το πλάσμα συγκρατείται υπό την επίδραση της βαρύτητας και η ακτινοβολία απορροφάται - έτσι, ο πυρήνας δεν κρυώνει.

Στη Γη, οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις μπορούν να πραγματοποιηθούν μόνο σε ειδικές εγκαταστάσεις.

Παλμικά συστήματα. Σε τέτοια συστήματα, το δευτέριο και το τρίτιο ακτινοβολούνται με εξαιρετικά ισχυρές δέσμες λέιζερ ή δέσμες ηλεκτρονίων/ιόντων. Μια τέτοια ακτινοβολία προκαλεί μια αλληλουχία θερμοπυρηνικών μικροεκρήξεων. Ωστόσο, τέτοια συστήματα είναι ασύμφορα για χρήση σε βιομηχανική κλίμακα: πολύ περισσότερη ενέργεια δαπανάται για επιταχυνόμενα άτομα από ό,τι λαμβάνεται ως αποτέλεσμα της σύντηξης, καθώς δεν αντιδρούν όλα τα επιταχυνόμενα άτομα. Ως εκ τούτου, πολλές χώρες κατασκευάζουν σχεδόν ακίνητα συστήματα.

Οιονεί στάσιμα συστήματα. Σε τέτοιους αντιδραστήρες, το πλάσμα περιέχεται από ένα μαγνητικό πεδίο σε χαμηλή πίεση και υψηλή θερμοκρασία. Υπάρχουν τρεις τύποι αντιδραστήρων που βασίζονται σε διαφορετικές διαμορφώσεις μαγνητικού πεδίου. Αυτά είναι τοκαμάκ, αστρικοί (torsatron) και παγίδες καθρέφτη.

Tokamakσημαίνει "τοροειδής θάλαμος με μαγνητικά πηνία". Αυτός είναι ένας θάλαμος σε σχήμα «ντόνατ» (τόρος) στον οποίο τυλίγονται πηνία. Το κύριο χαρακτηριστικό ενός tokamak είναι η χρήση εναλλασσόμενου ηλεκτρικού ρεύματος, το οποίο ρέει μέσα από το πλάσμα, το θερμαίνει και, δημιουργώντας ένα μαγνητικό πεδίο γύρω του, το συγκρατεί.

ΣΕ αστρικός (torsatron)το μαγνητικό πεδίο περιορίζεται πλήρως από μαγνητικά πηνία και, σε αντίθεση με ένα tokamak, μπορεί να λειτουργεί συνεχώς.

Στο z καθρέφτες (ανοιχτές) παγίδεςΧρησιμοποιείται η αρχή της αντανάκλασης. Ο θάλαμος είναι κλειστός και στις δύο πλευρές με μαγνητικά «βύσματα» που αντανακλούν το πλάσμα, διατηρώντας το στον αντιδραστήρα.

Για πολύ καιρό, οι παγίδες καθρέφτη και τα τοκαμάκ αγωνίστηκαν για την πρωτοκαθεδρία. Αρχικά, η ιδέα της παγίδας φαινόταν πιο απλή και επομένως φθηνότερη. Στις αρχές της δεκαετίας του '60, οι ανοιχτές παγίδες χρηματοδοτήθηκαν άφθονα, αλλά η αστάθεια του πλάσματος και οι ανεπιτυχείς προσπάθειες περιορισμού του με μαγνητικό πεδίο ανάγκασαν αυτές τις εγκαταστάσεις να γίνουν πιο περίπλοκες - φαινομενικά απλές κατασκευές μετατράπηκαν σε μηχανές κολάσεως και ήταν αδύνατο να επιτευχθεί σταθερό αποτέλεσμα. Ως εκ τούτου, στη δεκαετία του '80, τα tokamaks ήρθαν στο προσκήνιο. Το 1984 κυκλοφόρησε το ευρωπαϊκό JET tokamak, το οποίο κόστισε μόνο 180 εκατομμύρια δολάρια και του οποίου οι παράμετροι επέτρεψαν μια θερμοπυρηνική αντίδραση. Στην ΕΣΣΔ και τη Γαλλία, σχεδιάστηκαν υπεραγώγιμα tokamak, τα οποία δεν ξόδευαν σχεδόν καθόλου ενέργεια στη λειτουργία του μαγνητικού συστήματος.

7. Ποιος μαθαίνει τώρα να πραγματοποιεί θερμοπυρηνικές αντιδράσεις;

Πολλές χώρες κατασκευάζουν τους δικούς τους θερμοπυρηνικούς αντιδραστήρες. Το Καζακστάν, η Κίνα, οι ΗΠΑ και η Ιαπωνία έχουν τους δικούς τους πειραματικούς αντιδραστήρες. Το Ινστιτούτο Kurchatov εργάζεται στον αντιδραστήρα IGNITOR. Η Γερμανία εκτόξευσε τον αστρικό αντιδραστήρα σύντηξης Wendelstein 7-X.

Το πιο διάσημο είναι το διεθνές έργο tokamak ITER (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) στο ερευνητικό κέντρο Cadarache (Γαλλία). Η κατασκευή του επρόκειτο να ολοκληρωθεί το 2016, αλλά το ποσό της απαραίτητης οικονομικής στήριξης έχει αυξηθεί και ο χρόνος των πειραμάτων έχει μετακινηθεί στο 2025. Η Ευρωπαϊκή Ένωση, οι ΗΠΑ, η Κίνα, η Ινδία, η Ιαπωνία, η Νότια Κορέα και η Ρωσία συμμετέχουν στις δραστηριότητες του ITER. Η ΕΕ διαδραματίζει το κύριο μερίδιο στη χρηματοδότηση (45%), ενώ οι υπόλοιποι συμμετέχοντες προμηθεύουν εξοπλισμό υψηλής τεχνολογίας. Συγκεκριμένα, η Ρωσία παράγει υπεραγώγιμα υλικά και καλώδια, ραδιοσωλήνες για θέρμανση πλάσματος (γυρότρονια) και ασφάλειες για υπεραγώγιμα πηνία, καθώς και εξαρτήματα για το πιο περίπλοκο τμήμα του αντιδραστήρα - τον πρώτο τοίχο, που πρέπει να αντέχει ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις, ακτινοβολία νετρονίων και ακτινοβολία πλάσματος.

8. Γιατί δεν χρησιμοποιούμε ακόμα αντιδραστήρες σύντηξης;

Οι σύγχρονες εγκαταστάσεις tokamak δεν είναι θερμοπυρηνικοί αντιδραστήρες, αλλά ερευνητικές εγκαταστάσεις στις οποίες η ύπαρξη και η διατήρηση του πλάσματος είναι δυνατή μόνο για λίγο. Το γεγονός είναι ότι οι επιστήμονες δεν έχουν μάθει ακόμη πώς να διατηρούν το πλάσμα σε έναν αντιδραστήρα για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Αυτή τη στιγμή, ένα από τα μεγαλύτερα επιτεύγματα στον τομέα της πυρηνικής σύντηξης είναι η επιτυχία των Γερμανών επιστημόνων που κατάφεραν να θερμάνουν αέριο υδρογόνο στους 80 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου και να διατηρήσουν ένα σύννεφο πλάσματος υδρογόνου για ένα τέταρτο του δευτερολέπτου. Και στην Κίνα, το πλάσμα υδρογόνου θερμάνθηκε στους 49,999 εκατομμύρια βαθμούς και διατηρήθηκε για 102 δευτερόλεπτα. Ρώσοι επιστήμονες από το Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής G.I. Budker, στο Νοβοσιμπίρσκ, κατάφεραν να επιτύχουν σταθερή θέρμανση του πλάσματος στους δέκα εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου. Ωστόσο, οι Αμερικανοί πρότειναν πρόσφατα έναν τρόπο διατήρησης του πλάσματος για 60 χρόνια - και αυτό είναι ενθαρρυντικό.

Επιπλέον, υπάρχει συζήτηση σχετικά με την κερδοφορία της πυρηνικής σύντηξης στη βιομηχανία. Είναι άγνωστο εάν τα οφέλη από την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας θα καλύψουν το κόστος της πυρηνικής σύντηξης. Προτείνεται να πειραματιστείτε με αντιδράσεις (για παράδειγμα, εγκατάλειψη της παραδοσιακής αντίδρασης δευτερίου-τριτίου ή μονοπροωθητικού προς όφελος άλλων αντιδράσεων), δομικών υλικών - ή ακόμα και εγκατάλειψης της ιδέας της βιομηχανικής θερμοπυρηνικής σύντηξης, χρησιμοποιώντας μόνο αυτήν για μεμονωμένες αντιδράσεις στη σχάση αντιδράσεις. Ωστόσο, οι επιστήμονες συνεχίζουν ακόμα τα πειράματα.

9. Είναι ασφαλείς οι αντιδραστήρες σύντηξης;

Σχετικά. Το τρίτιο, το οποίο χρησιμοποιείται σε αντιδράσεις σύντηξης, είναι ραδιενεργό. Επιπλέον, νευρώνες που απελευθερώνονται ως αποτέλεσμα της σύνθεσης ακτινοβολούν τη δομή του αντιδραστήρα. Τα ίδια τα στοιχεία του αντιδραστήρα καλύπτονται με ραδιενεργή σκόνη λόγω της έκθεσης στο πλάσμα.

Ωστόσο, ένας αντιδραστήρας σύντηξης είναι πολύ πιο ασφαλής από έναν πυρηνικό αντιδραστήρα όσον αφορά την ακτινοβολία. Υπάρχουν σχετικά λίγες ραδιενεργές ουσίες στον αντιδραστήρα. Επιπλέον, ο ίδιος ο σχεδιασμός του αντιδραστήρα προϋποθέτει ότι δεν υπάρχουν «τρύπες» μέσω των οποίων μπορεί να διαρρεύσει ακτινοβολία. Ο θάλαμος κενού του αντιδραστήρα πρέπει να είναι σφραγισμένος, διαφορετικά ο αντιδραστήρας απλά δεν θα μπορεί να λειτουργήσει. Κατά την κατασκευή των θερμοπυρηνικών αντιδραστήρων χρησιμοποιούνται υλικά που ελέγχονται με πυρηνική ενέργεια και διατηρείται μειωμένη πίεση στις εγκαταστάσεις.

«Είπαμε ότι θα βάλουμε τον Ήλιο σε ένα κουτί. Η ιδέα είναι υπέροχη. Αλλά το πρόβλημα είναι ότι δεν ξέρουμε πώς να δημιουργήσουμε αυτό το κουτί» - Pierre Gilles de Gennes, νικητής του βραβείου Νόμπελ φυσικής το 1991.

Ενώ υπάρχουν αρκετά βαριά στοιχεία που απαιτούνται για τις πυρηνικές αντιδράσεις στη Γη και στο διάστημα γενικά, υπάρχουν πολλά ελαφρά στοιχεία για θερμοπυρηνικές αντιδράσεις τόσο στη Γη όσο και στο διάστημα. Ως εκ τούτου, η ιδέα της χρήσης της θερμοπυρηνικής ενέργειας προς όφελος της ανθρωπότητας ήρθε σχεδόν αμέσως με την κατανόηση των διεργασιών που τη διέπουν - αυτό υποσχόταν πραγματικά απεριόριστες δυνατότητες, αφού τα αποθέματα θερμοπυρηνικού καυσίμου στη Γη θα έπρεπε να ήταν αρκετά για δεκάδες χιλιάδες τα επόμενα χρόνια.

Ήδη το 1951, εμφανίστηκαν δύο κύριες κατευθύνσεις για την ανάπτυξη των θερμοπυρηνικών αντιδραστήρων: οι Andrei Sakharov και Igor Tamm ανέπτυξαν μια αρχιτεκτονική tokamak στην οποία ο θάλαμος εργασίας ήταν ένας τόρος, ενώ ο Lyman Spitzer πρότεινε μια αρχιτεκτονική με πιο περίπλοκο σχεδιασμό σε σχήμα που θυμίζει περισσότερο ανεστραμμένη λωρίδα Mobius όχι μία, αλλά πολλές φορές.

Η απλότητα του θεμελιώδους σχεδιασμού του tokamak επέτρεψε την ανάπτυξη αυτής της κατεύθυνσης για μεγάλο χρονικό διάστημα αυξάνοντας τα χαρακτηριστικά των συμβατικών και υπεραγώγιμων μαγνητών, καθώς και αυξάνοντας σταδιακά το μέγεθος του αντιδραστήρα. Αλλά με την αύξηση των παραμέτρων του πλάσματος, σταδιακά άρχισαν να εμφανίζονται προβλήματα με την ασταθή συμπεριφορά του, γεγονός που επιβράδυνε τη διαδικασία.

Η πολυπλοκότητα του σχεδιασμού του stellator οδήγησε πλήρως στο γεγονός ότι μετά τα πρώτα πειράματα στη δεκαετία του '50, η ανάπτυξη αυτής της κατεύθυνσης σταμάτησε για μεγάλο χρονικό διάστημα. Έλαβε νέα πνοή πολύ πρόσφατα με την εμφάνιση των σύγχρονων συστημάτων σχεδιασμού με τη βοήθεια υπολογιστή, τα οποία κατέστησαν δυνατή τη σχεδίαση του Stellator Wendelstein 7-X με τις παραμέτρους και την ακρίβεια σχεδιασμού που απαιτούνται για τη λειτουργία του.

Φυσική της διαδικασίας και προβλήματα στην εφαρμογή της

Τα άτομα σιδήρου έχουν μέγιστη ενέργεια δέσμευσης ανά νουκλεόνιο - δηλαδή, ένα μέτρο της ενέργειας που πρέπει να δαπανηθεί για να χωριστεί ένα άτομο στα συστατικά του νετρόνια και πρωτόνια, διαιρούμενο με τον συνολικό αριθμό τους. Όλα τα άτομα με μικρότερη και μεγαλύτερη μάζα έχουν αυτόν τον δείκτη κάτω από τον σίδηρο:

Σε αυτή την περίπτωση, στις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις της σύντηξης ελαφρών ατόμων μέχρι σιδήρου, απελευθερώνεται ενέργεια και η μάζα του ατόμου που προκύπτει γίνεται ελαφρώς μικρότερη από το άθροισμα των μαζών των αρχικών ατόμων κατά ποσότητα που συσχετίζεται με την ενέργεια που απελευθερώνεται. σύμφωνα με τον τύπο E = mc² (το λεγόμενο ελάττωμα μάζας). Με τον ίδιο τρόπο, απελευθερώνεται ενέργεια κατά τις αντιδράσεις πυρηνικής σχάσης ατόμων βαρύτερων από τον σίδηρο.

Κατά τη διάρκεια των αντιδράσεων ατομικής σύντηξης, απελευθερώνεται τεράστια ενέργεια, αλλά για να εξαγάγουμε αυτήν την ενέργεια, πρέπει πρώτα να καταβάλουμε μια ορισμένη προσπάθεια για να ξεπεράσουμε τις απωστικές δυνάμεις μεταξύ ατομικών πυρήνων που είναι θετικά φορτισμένοι (ξεπερνώντας το φράγμα Coulomb). Αφού καταφέραμε να φέρουμε ένα ζεύγος ατόμων μαζί στην απαιτούμενη απόσταση, μπαίνει στο παιχνίδι η ισχυρή πυρηνική αλληλεπίδραση, η οποία δεσμεύει νετρόνια και πρωτόνια. Για κάθε τύπο καυσίμου, το φράγμα Coulomb για την έναρξη μιας αντίδρασης είναι διαφορετικό, όπως και η βέλτιστη θερμοκρασία αντίδρασης είναι διαφορετική:

Σε αυτή την περίπτωση, οι πρώτες θερμοπυρηνικές αντιδράσεις των ατόμων αρχίζουν να καταγράφονται πολύ πριν η μέση θερμοκρασία της ουσίας φτάσει σε αυτό το φράγμα λόγω του γεγονότος ότι η κινητική ενέργεια των ατόμων υπόκειται στην κατανομή Maxwell:

Όμως η αντίδραση σε σχετικά χαμηλή θερμοκρασία (της τάξης των πολλών εκατομμυρίων °C) προχωρά εξαιρετικά αργά. Ας υποθέσουμε λοιπόν ότι στο κέντρο η θερμοκρασία φτάνει τους 14 εκατομμύρια °C, αλλά η ειδική ισχύς της θερμοπυρηνικής αντίδρασης σε τέτοιες συνθήκες είναι μόνο 276,5 W/m³ και ο Ήλιος χρειάζεται αρκετά δισεκατομμύρια χρόνια για να καταναλώσει πλήρως το καύσιμο του. Τέτοιες συνθήκες είναι απαράδεκτες για έναν θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα, αφού σε τόσο χαμηλό επίπεδο απελευθέρωσης ενέργειας αναπόφευκτα θα ξοδέψουμε περισσότερα για τη θέρμανση και τη συμπίεση θερμοπυρηνικού καυσίμου από όσα θα λάβουμε από την αντίδραση ως αντάλλαγμα.

Καθώς η θερμοκρασία του καυσίμου αυξάνεται, ένα αυξανόμενο ποσοστό ατόμων αρχίζει να έχει ενέργεια που υπερβαίνει το φράγμα Coulomb και η αποτελεσματικότητα της αντίδρασης αυξάνεται, φτάνοντας στο αποκορύφωμά της. Με μια περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας, ο ρυθμός αντίδρασης αρχίζει να μειώνεται ξανά λόγω του γεγονότος ότι η κινητική ενέργεια των ατόμων γίνεται πολύ υψηλή και «υπερκαλύπτουν» το ένα το άλλο, μη μπορώντας να συγκρατηθούν μαζί με ισχυρή πυρηνική αλληλεπίδραση.

Έτσι, η λύση για τον τρόπο απόκτησης ενέργειας από μια ελεγχόμενη θερμοπυρηνική αντίδραση λήφθηκε αρκετά γρήγορα, αλλά η υλοποίηση αυτού του έργου κράτησε για μισό αιώνα και δεν έχει ακόμη ολοκληρωθεί. Ο λόγος για αυτό έγκειται στις πραγματικά τρελές συνθήκες στις οποίες αποδείχθηκε ότι ήταν απαραίτητο να τοποθετηθεί το θερμοπυρηνικό καύσιμο - για μια θετική απόδοση από την αντίδραση, η θερμοκρασία του έπρεπε να είναι αρκετές δεκάδες εκατομμύρια °C.

Κανένας τοίχος δεν μπορούσε φυσικά να αντέξει μια τέτοια θερμοκρασία, αλλά αυτό το πρόβλημα οδήγησε σχεδόν αμέσως στη λύση του: καθώς μια ουσία που θερμαίνεται σε τέτοιες θερμοκρασίες είναι ένα καυτό πλάσμα (πλήρως ιονισμένο αέριο) το οποίο είναι θετικά φορτισμένο, η λύση αποδείχθηκε ότι ήταν στην επιφάνεια - έπρεπε απλώς να τοποθετήσουμε ένα τόσο θερμαινόμενο πλάσμα σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, το οποίο θα κρατήσει το θερμοπυρηνικό καύσιμο σε ασφαλή απόσταση από τους τοίχους.

Πρόοδος προς την εφαρμογή του

Η έρευνα για αυτό το θέμα πηγαίνει σε πολλές κατευθύνσεις ταυτόχρονα:

1. Χρησιμοποιώντας υπεραγώγιμους μαγνήτες, οι επιστήμονες προσπαθούν να μειώσουν την ενέργεια που δαπανάται για την ανάφλεξη και τη διατήρηση της αντίδρασης.
2. Με τη βοήθεια νέων γενιών υπεραγωγών, η επαγωγή του μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό του αντιδραστήρα αυξάνεται, γεγονός που καθιστά δυνατή τη διατήρηση πλάσματος με υψηλότερες πυκνότητες και θερμοκρασίες, γεγονός που αυξάνει την ειδική ισχύ των αντιδραστήρων ανά μονάδα όγκου.
3. Η έρευνα για το ζεστό πλάσμα και η πρόοδος στην τεχνολογία υπολογιστών επιτρέπουν καλύτερο έλεγχο των ροών πλάσματος, φέρνοντας έτσι τους αντιδραστήρες σύντηξης πιο κοντά στα θεωρητικά όρια απόδοσης.
4. Η πρόοδος στην προηγούμενη περιοχή μας επιτρέπει επίσης να διατηρήσουμε το πλάσμα σε σταθερή κατάσταση περισσότερο, γεγονός που αυξάνει την απόδοση του αντιδραστήρα λόγω του γεγονότος ότι δεν χρειάζεται να ξαναθερμαίνουμε το πλάσμα τόσο συχνά.

Παρά τις δυσκολίες και τα προβλήματα που βρισκόταν στο δρόμο για μια ελεγχόμενη θερμοπυρηνική αντίδραση, αυτή η ιστορία πλησιάζει ήδη στο τέλος της. Στην ενεργειακή βιομηχανία, συνηθίζεται να χρησιμοποιείται ο δείκτης EROEI - απόδοση ενέργειας στην επένδυση ενέργειας (ο λόγος της ενέργειας που δαπανάται για την παραγωγή καυσίμου προς την ποσότητα ενέργειας που λαμβάνουμε τελικά από αυτό) για τον υπολογισμό της απόδοσης καυσίμου. Και ενώ το EROEI του άνθρακα συνεχίζει να αυξάνεται, αυτός ο δείκτης για το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο έφτασε στο αποκορύφωμά του στα μέσα του περασμένου αιώνα και τώρα μειώνεται σταθερά λόγω του γεγονότος ότι νέα κοιτάσματα αυτών των καυσίμων βρίσκονται σε όλο και πιο δυσπρόσιτα μέρη και πάντα μεγαλύτερα βάθη:

Ταυτόχρονα, δεν μπορούμε επίσης να αυξήσουμε την παραγωγή άνθρακα για το λόγο ότι η απόκτηση ενέργειας από αυτόν είναι μια πολύ βρώμικη διαδικασία και κυριολεκτικά αφαιρεί τις ζωές ανθρώπων αυτή τη στιγμή από διάφορες ασθένειες των πνευμόνων. Με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, βρισκόμαστε τώρα στο κατώφλι του τέλους της εποχής των ορυκτών καυσίμων - και αυτό δεν είναι μηχανορραφίες των περιβαλλοντολόγων, αλλά κοινότοποι οικονομικοί υπολογισμοί όταν κοιτάμε το μέλλον. Ταυτόχρονα, το EROI των πειραματικών θερμοπυρηνικών αντιδραστήρων, που εμφανίστηκαν επίσης στα μέσα του περασμένου αιώνα, αυξανόταν σταθερά και το 2007 έφτασε στο ψυχολογικό φράγμα του ενός -δηλαδή φέτος για πρώτη φορά η ανθρωπότητα κατάφερε να αποκτήσει περισσότερη ενέργεια μέσω μιας θερμοπυρηνικής αντίδρασης από ό,τι ξόδεψε για την εφαρμογή της. Και παρά το γεγονός ότι η υλοποίηση του αντιδραστήρα, τα πειράματα με αυτόν και η παραγωγή του πρώτου επίδειξης θερμοπυρηνικού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής DEMO με βάση την εμπειρία που αποκτήθηκε κατά την εφαρμογή του ITER θα πάρει ακόμα πολύ χρόνο. Δεν υπάρχει πλέον καμία αμφιβολία ότι το μέλλον μας βρίσκεται σε τέτοιους αντιδραστήρες.

Κριτική της έρευνας

Η κύρια κριτική της έρευνας σε αντιδραστήρες σύντηξης είναι ότι η έρευνα προχωρά εξαιρετικά αργά. Και είναι αλήθεια - από τα πρώτα πειράματα μέχρι την παραγωγή μιας θερμοπυρηνικής αντίδρασης νεκρού σημείου, μας πήρε 66 χρόνια. Αλλά η ουσία του προβλήματος εδώ είναι ότι η χρηματοδότηση για μια τέτοια έρευνα δεν έφτασε ποτέ στο απαιτούμενο επίπεδο - εδώ είναι ένα παράδειγμα των εκτιμήσεων της Υπηρεσίας Ενεργειακής Έρευνας και Ανάπτυξης των ΗΠΑ για το επίπεδο χρηματοδότησης για το έργο του αντιδραστήρα σύντηξης και τον χρόνο ολοκλήρωσής του:

Όπως φαίνεται από αυτό το γράφημα, προκαλεί έκπληξη όχι μόνο το γεγονός ότι δεν έχουμε ακόμα εμπορικούς θερμοπυρηνικούς αντιδραστήρες που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, αλλά και το ότι μπορέσαμε να επιτύχουμε οποιαδήποτε θετική παραγωγή ενέργειας από πειραματικούς αντιδραστήρες αυτή τη στιγμή.

Σύμφωνα με τις σύγχρονες αστροφυσικές αντιλήψεις, η κύρια πηγή ενέργειας του Ήλιου και άλλων άστρων είναι η θερμοπυρηνική σύντηξη που συμβαίνει στα βάθη τους. Υπό επίγειες συνθήκες, πραγματοποιείται κατά την έκρηξη βόμβας υδρογόνου. Η θερμοπυρηνική σύντηξη συνοδεύεται από μια κολοσσιαία απελευθέρωση ενέργειας ανά μονάδα μάζας αντιδρώντων ουσιών (περίπου 10 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από ό,τι στις χημικές αντιδράσεις). Ως εκ τούτου, έχει μεγάλο ενδιαφέρον να κυριαρχήσετε αυτή τη διαδικασία και να τη χρησιμοποιήσετε για να δημιουργήσετε μια φθηνή και φιλική προς το περιβάλλον πηγή ενέργειας. Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι μεγάλες επιστημονικές και τεχνικές ομάδες σε πολλές ανεπτυγμένες χώρες ασχολούνται με την έρευνα για την ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη (CTF), πολλά πολύπλοκα προβλήματα πρέπει ακόμη να επιλυθούν πριν γίνει πραγματικότητα η βιομηχανική παραγωγή θερμοπυρηνικής ενέργειας.

Οι σύγχρονοι πυρηνικοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής που χρησιμοποιούν τη διαδικασία σχάσης ικανοποιούν μόνο εν μέρει τις παγκόσμιες ανάγκες ηλεκτρικής ενέργειας. Το καύσιμο για αυτούς είναι τα φυσικά ραδιενεργά στοιχεία ουράνιο και θόριο, η αφθονία και τα αποθέματα των οποίων στη φύση είναι πολύ περιορισμένα. Ως εκ τούτου, πολλές χώρες αντιμετωπίζουν το πρόβλημα της εισαγωγής τους. Το κύριο συστατικό του θερμοπυρηνικού καυσίμου είναι το ισότοπο υδρογόνου δευτέριο, το οποίο βρίσκεται στο θαλασσινό νερό. Τα αποθέματά του είναι δημόσια διαθέσιμα και πολύ μεγάλα (οι ωκεανοί του κόσμου καλύπτουν το ~71% της επιφάνειας της Γης και το δευτέριο αντιπροσωπεύει περίπου το 0,016% του συνολικού αριθμού ατόμων υδρογόνου που αποτελούν το νερό). Εκτός από τη διαθεσιμότητα καυσίμου, οι θερμοπυρηνικές πηγές ενέργειας έχουν τα ακόλουθα σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των πυρηνικών σταθμών: 1) ο αντιδραστήρας UTS περιέχει πολύ λιγότερα ραδιενεργά υλικά από έναν αντιδραστήρα πυρηνικής σχάσης και επομένως οι συνέπειες μιας τυχαίας απελευθέρωσης ραδιενεργών προϊόντων είναι λιγότερες επικίνδυνος; 2) οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις παράγουν λιγότερο μακρόβια ραδιενεργά απόβλητα. 3) Το TCB επιτρέπει την άμεση λήψη ηλεκτρικής ενέργειας.

ΦΥΣΙΚΕΣ ΒΑΣΙΚΕΣ ΤΗΣ ΠΥΡΗΝΙΚΗΣ ΣΥΝΤΗΞΗΣ

Η επιτυχής υλοποίηση μιας αντίδρασης σύντηξης εξαρτάται από τις ιδιότητες των ατομικών πυρήνων που χρησιμοποιούνται και την ικανότητα λήψης πυκνού πλάσματος υψηλής θερμοκρασίας, το οποίο είναι απαραίτητο για την έναρξη της αντίδρασης.

Πυρηνικές δυνάμεις και αντιδράσεις.

Η απελευθέρωση ενέργειας κατά τη διάρκεια της πυρηνικής σύντηξης οφείλεται σε εξαιρετικά έντονες ελκτικές δυνάμεις που δρουν μέσα στον πυρήνα. Αυτές οι δυνάμεις συγκρατούν τα πρωτόνια και τα νετρόνια που αποτελούν τον πυρήνα. Είναι πολύ έντονες σε αποστάσεις ~10–13 cm και εξασθενούν εξαιρετικά γρήγορα με την αύξηση της απόστασης. Εκτός από αυτές τις δυνάμεις, τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια δημιουργούν ηλεκτροστατικές απωστικές δυνάμεις. Το εύρος των ηλεκτροστατικών δυνάμεων είναι πολύ μεγαλύτερο από αυτό των πυρηνικών δυνάμεων, επομένως αρχίζουν να κυριαρχούν όταν οι πυρήνες απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο.

Όπως έδειξε ο G. Gamow, η πιθανότητα αντίδρασης μεταξύ δύο πλησιέστερων ελαφρών πυρήνων είναι ανάλογη με , όπου μι – βάση φυσικών λογαρίθμων, Ζ 1 Και Ζ 2 – αριθμός πρωτονίων σε αλληλεπιδρώντες πυρήνες, Wείναι η ενέργεια της σχετικής προσέγγισής τους, και κ– σταθερός πολλαπλασιαστής. Η ενέργεια που απαιτείται για τη διεξαγωγή μιας αντίδρασης εξαρτάται από τον αριθμό των πρωτονίων σε κάθε πυρήνα. Αν είναι πάνω από τρεις, τότε αυτή η ενέργεια είναι πολύ μεγάλη και η αντίδραση είναι πρακτικά αδύνατη. Έτσι, με την αύξηση Ζ 1 και Ζ 2 η πιθανότητα αντίδρασης μειώνεται.

Η πιθανότητα να αλληλεπιδράσουν δύο πυρήνες χαρακτηρίζεται από τη «διατομή αντίδρασης», μετρημένη σε αχυρώνες (1 b = 10 –24 cm 2). Η διατομή αντίδρασης είναι η αποτελεσματική περιοχή διατομής ενός πυρήνα στην οποία πρέπει να «πέσει» ένας άλλος πυρήνας για να συμβεί η αλληλεπίδρασή τους. Η διατομή για την αντίδραση του δευτερίου με το τρίτιο φτάνει τη μέγιστη τιμή της (~5 b) όταν τα αλληλεπιδρώντα σωματίδια έχουν σχετική ενέργεια προσέγγισης της τάξης των 200 keV. Σε ενέργεια 20 keV, η διατομή γίνεται μικρότερη από 0,1 b.

Από ένα εκατομμύριο επιταχυνόμενα σωματίδια που χτυπούν τον στόχο, όχι περισσότερα από ένα εισέρχονται σε πυρηνική αλληλεπίδραση. Τα υπόλοιπα διαχέουν την ενέργειά τους στα ηλεκτρόνια των ατόμων-στόχων και επιβραδύνουν σε ταχύτητες στις οποίες η αντίδραση καθίσταται αδύνατη. Κατά συνέπεια, η μέθοδος βομβαρδισμού ενός στερεού στόχου με επιταχυνόμενους πυρήνες (όπως συνέβη στο πείραμα Cockroft-Walton) είναι ακατάλληλη για ελεγχόμενη σύντηξη, καθώς η ενέργεια που λαμβάνεται σε αυτή την περίπτωση είναι πολύ μικρότερη από την ενέργεια που δαπανάται.

Καύσιμα σύντηξης.

Αντιδράσεις που αφορούν Π, που παίζουν σημαντικό ρόλο στις διαδικασίες της πυρηνικής σύντηξης στον Ήλιο και σε άλλα ομοιογενή αστέρια, δεν παρουσιάζουν πρακτικό ενδιαφέρον υπό γήινες συνθήκες επειδή έχουν πολύ μικρή διατομή. Για τη θερμοπυρηνική σύντηξη στη γη, ένας καταλληλότερος τύπος καυσίμου, όπως προαναφέρθηκε, είναι το δευτέριο.

Αλλά η πιο πιθανή αντίδραση συμβαίνει σε ένα ίσο μείγμα δευτερίου και τριτίου (μίγμα DT). Δυστυχώς, το τρίτιο είναι ραδιενεργό και, λόγω του μικρού χρόνου ημιζωής του (T 1/2 ~ 12,3 χρόνια), πρακτικά δεν βρίσκεται στη φύση. Παράγεται τεχνητά σε αντιδραστήρες σχάσης, αλλά και ως υποπροϊόν σε αντιδράσεις με δευτέριο. Ωστόσο, η απουσία τριτίου στη φύση δεν αποτελεί εμπόδιο στη χρήση της αντίδρασης σύντηξης DT, καθώς Το τρίτιο μπορεί να παραχθεί ακτινοβολώντας το ισότοπο 6 Li με νετρόνια που παράγονται κατά τη σύνθεση: n+ 6 Li ® 4 He + t.

Εάν περιβάλλετε τον θερμοπυρηνικό θάλαμο με ένα στρώμα 6 Li (το φυσικό λίθιο περιέχει 7%), τότε μπορείτε να αναπαράγετε πλήρως το αναλώσιμο τρίτιο. Και παρόλο που στην πράξη ορισμένα νετρόνια χάνονται αναπόφευκτα, η απώλειά τους μπορεί εύκολα να αντισταθμιστεί με την εισαγωγή στο κέλυφος ενός στοιχείου όπως το βηρύλλιο, ο πυρήνας του οποίου, όταν ένα γρήγορο νετρόνιο το χτυπήσει, εκπέμπει δύο.

Αρχή λειτουργίας ενός θερμοπυρηνικού αντιδραστήρα.

Η αντίδραση σύντηξης ελαφρών πυρήνων, σκοπός της οποίας είναι η απόκτηση χρήσιμης ενέργειας, ονομάζεται ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη. Εκτελείται σε θερμοκρασίες της τάξης των εκατοντάδων εκατομμυρίων Kelvin. Αυτή η διαδικασία μέχρι στιγμής έχει εφαρμοστεί μόνο σε εργαστήρια.

Συνθήκες χρόνου και θερμοκρασίας.

Η απόκτηση χρήσιμης θερμοπυρηνικής ενέργειας είναι δυνατή μόνο εάν πληρούνται δύο προϋποθέσεις. Πρώτον, το μείγμα που προορίζεται για σύνθεση πρέπει να θερμανθεί σε θερμοκρασία στην οποία η κινητική ενέργεια των πυρήνων παρέχει μεγάλη πιθανότητα σύντηξής τους κατά τη σύγκρουση. Δεύτερον, το αντιδρών μίγμα πρέπει να είναι πολύ καλά θερμικά μονωμένο (δηλαδή, η υψηλή θερμοκρασία πρέπει να διατηρείται αρκετά για να συμβεί ο απαιτούμενος αριθμός αντιδράσεων και η ενέργεια που απελευθερώνεται λόγω αυτού να υπερβαίνει την ενέργεια που δαπανάται για τη θέρμανση του καυσίμου).

Σε ποσοτική μορφή, αυτή η συνθήκη εκφράζεται ως εξής. Για να θερμανθεί ένα θερμοπυρηνικό μείγμα, πρέπει να δοθεί ενέργεια σε ένα κυβικό εκατοστό του όγκου του Π 1 = knT, Οπου κ– αριθμητικός συντελεστής, n– πυκνότητα του μείγματος (αριθμός πυρήνων ανά 1 cm3), Τ– απαιτούμενη θερμοκρασία. Για να διατηρηθεί η αντίδραση, η ενέργεια που προσδίδεται στο θερμοπυρηνικό μείγμα πρέπει να διατηρηθεί για ένα χρόνο t. Για να είναι ένας αντιδραστήρας ενεργειακά κερδοφόρος, είναι απαραίτητο κατά τη διάρκεια αυτού του χρόνου να απελευθερώνεται σε αυτόν περισσότερη θερμοπυρηνική ενέργεια από ό,τι δαπανήθηκε για θέρμανση. Η εκλυόμενη ενέργεια (επίσης ανά 1 cm3) εκφράζεται ως εξής:

Οπου φά(Τ) – συντελεστής ανάλογα με τη θερμοκρασία του μείγματος και τη σύνθεσή του, R– ενέργεια που απελευθερώνεται σε μια στοιχειώδη πράξη σύνθεσης. Τότε η προϋπόθεση για την ενεργειακή κερδοφορία Π 2 > Π 1 θα πάρει τη μορφή

Η τελευταία ανισότητα, γνωστή ως κριτήριο Lawson, είναι μια ποσοτική έκφραση των απαιτήσεων για τέλεια θερμομόνωση. Η δεξιά πλευρά - ο "αριθμός Lawson" - εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία και τη σύνθεση του μείγματος και όσο υψηλότερη είναι, τόσο πιο αυστηρές είναι οι απαιτήσεις για θερμομόνωση, δηλ. τόσο πιο δύσκολο είναι να δημιουργηθεί ένας αντιδραστήρας. Στην περιοχή των αποδεκτών θερμοκρασιών, ο αριθμός Lawson για το καθαρό δευτέριο είναι 10 16 s/cm 3 και για ένα μείγμα DT ίσων συστατικών – 2×10 14 s/cm 3 . Έτσι, το μίγμα DT είναι το προτιμώμενο καύσιμο σύντηξης.

Σύμφωνα με το κριτήριο του Lawson, το οποίο καθορίζει την ενεργειακά ευνοϊκή τιμή του προϊόντος της πυκνότητας και του χρόνου περιορισμού, ένας θερμοπυρηνικός αντιδραστήρας θα πρέπει να χρησιμοποιεί όσο το δυνατόν μεγαλύτερο nή t. Επομένως, η έρευνα για την ελεγχόμενη σύντηξη έχει αποκλίνει προς δύο διαφορετικές κατευθύνσεις: στην πρώτη, οι ερευνητές προσπάθησαν να περιέχουν ένα σχετικά σπάνιο πλάσμα χρησιμοποιώντας ένα μαγνητικό πεδίο για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα. στη δεύτερη, χρησιμοποιώντας λέιζερ για να δημιουργήσετε ένα πλάσμα με πολύ υψηλή πυκνότητα για μικρό χρονικό διάστημα. Πολύ περισσότερη δουλειά έχει αφιερωθεί στην πρώτη προσέγγιση παρά στη δεύτερη.

Περιορισμός μαγνητικού πλάσματος.

Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης σύντηξης, η πυκνότητα του θερμού αντιδραστηρίου πρέπει να παραμείνει σε επίπεδο που θα παρείχε μια αρκετά υψηλή απόδοση χρήσιμης ενέργειας ανά μονάδα όγκου σε μια πίεση που μπορεί να αντέξει ο θάλαμος πλάσματος. Για παράδειγμα, για ένα μείγμα δευτερίου – τριτίου σε θερμοκρασία 10 8 K, η απόδοση προσδιορίζεται από την έκφραση

Αν δεχτούμε Πίσο με 100 W/cm 3 (που αντιστοιχεί περίπου στην ενέργεια που απελευθερώνεται από τα στοιχεία καυσίμου στους αντιδραστήρες πυρηνικής σχάσης), τότε η πυκνότητα nθα πρέπει να είναι περίπου. 10 15 πυρήνες/cm 3, και την αντίστοιχη πίεση nT– περίπου 3 MPa. Στην περίπτωση αυτή, σύμφωνα με το κριτήριο Lawson, ο χρόνος διατήρησης πρέπει να είναι τουλάχιστον 0,1 s. Για πλάσμα δευτερίου-δευτέριου σε θερμοκρασία 10 9 Κ

Σε αυτή την περίπτωση, όταν Π= 100 W/cm 3, n» 3Χ10 15 πυρήνες/cm 3 και πίεση περίπου 100 MPa, ο απαιτούμενος χρόνος συγκράτησης θα είναι μεγαλύτερος από 1 s. Σημειώστε ότι αυτές οι πυκνότητες είναι μόνο 0,0001 της πυκνότητας του ατμοσφαιρικού αέρα, επομένως ο θάλαμος του αντιδραστήρα πρέπει να εκκενωθεί σε υψηλό κενό.

Οι παραπάνω εκτιμήσεις του χρόνου περιορισμού, της θερμοκρασίας και της πυκνότητας είναι τυπικές ελάχιστες παράμετροι που απαιτούνται για τη λειτουργία ενός αντιδραστήρα σύντηξης και επιτυγχάνονται ευκολότερα στην περίπτωση ενός μίγματος δευτερίου-τριτίου. Όσον αφορά τις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις που συμβαίνουν κατά την έκρηξη μιας βόμβας υδρογόνου και στα έντερα των αστεριών, πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι, λόγω εντελώς διαφορετικών συνθηκών, στην πρώτη περίπτωση προχωρούν πολύ γρήγορα και στη δεύτερη - εξαιρετικά αργά σε σύγκριση σε διεργασίες σε θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα.

Πλάσμα αίματος.

Όταν ένα αέριο θερμαίνεται έντονα, τα άτομά του χάνουν μερικά ή όλα τα ηλεκτρόνια τους, με αποτέλεσμα το σχηματισμό θετικά φορτισμένων σωματιδίων που ονομάζονται ιόντα και ελεύθερα ηλεκτρόνια. Σε θερμοκρασίες πάνω από ένα εκατομμύριο βαθμούς, ένα αέριο που αποτελείται από ελαφρά στοιχεία ιονίζεται πλήρως, δηλ. καθένα από τα άτομά του χάνει όλα τα ηλεκτρόνια του. Το αέριο σε ιονισμένη κατάσταση ονομάζεται πλάσμα (ο όρος εισήχθη από τον I. Langmuir). Οι ιδιότητες του πλάσματος διαφέρουν σημαντικά από τις ιδιότητες του ουδέτερου αερίου. Δεδομένου ότι το πλάσμα περιέχει ελεύθερα ηλεκτρόνια, το πλάσμα άγει τον ηλεκτρισμό πολύ καλά και η αγωγιμότητά του είναι ανάλογη Τ 3/2. Το πλάσμα μπορεί να θερμανθεί περνώντας ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από αυτό. Η αγωγιμότητα του πλάσματος υδρογόνου στους 10 8 K είναι ίδια με αυτή του χαλκού σε θερμοκρασία δωματίου. Η θερμική αγωγιμότητα του πλάσματος είναι επίσης πολύ υψηλή.

Για να διατηρείται το πλάσμα, για παράδειγμα, σε θερμοκρασία 10 8 K, πρέπει να είναι αξιόπιστα θερμομονωμένο. Κατ' αρχήν, το πλάσμα μπορεί να απομονωθεί από τα τοιχώματα του θαλάμου τοποθετώντας το σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Αυτό εξασφαλίζεται από τις δυνάμεις που προκύπτουν όταν τα ρεύματα αλληλεπιδρούν με το μαγνητικό πεδίο στο πλάσμα.

Υπό την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου, τα ιόντα και τα ηλεκτρόνια κινούνται σπειροειδώς κατά μήκος των γραμμών πεδίου του. Η μετάβαση από τη μια γραμμή πεδίου στην άλλη είναι δυνατή κατά τη διάρκεια συγκρούσεων σωματιδίων και όταν εφαρμόζεται εγκάρσιο ηλεκτρικό πεδίο. Ελλείψει ηλεκτρικών πεδίων, το σπάνιο πλάσμα υψηλής θερμοκρασίας, στο οποίο οι συγκρούσεις είναι σπάνιες, θα διαχέεται μόνο αργά στις γραμμές μαγνητικού πεδίου. Εάν οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου είναι κλειστές, δίνοντάς τους το σχήμα βρόχου, τότε τα σωματίδια του πλάσματος θα κινηθούν κατά μήκος αυτών των γραμμών, κρατώντας στην περιοχή του βρόχου. Εκτός από μια τέτοια κλειστή μαγνητική διαμόρφωση για τον περιορισμό του πλάσματος, έχουν προταθεί ανοιχτά συστήματα (με γραμμές πεδίου που εκτείνονται προς τα έξω από τα άκρα του θαλάμου), στα οποία τα σωματίδια παραμένουν μέσα στον θάλαμο λόγω των μαγνητικών «βυσμάτων» που περιορίζουν την κίνηση των σωματιδίων. Τα μαγνητικά βύσματα δημιουργούνται στα άκρα του θαλάμου, όπου, ως αποτέλεσμα της σταδιακής αύξησης της έντασης του πεδίου, σχηματίζεται μια στενή δέσμη γραμμών πεδίου.

Στην πράξη, ο μαγνητικός περιορισμός ενός πλάσματος επαρκώς υψηλής πυκνότητας έχει αποδειχθεί ότι δεν είναι καθόλου εύκολος: συχνά εμφανίζονται μαγνητοϋδροδυναμικές και κινητικές αστάθειες σε αυτό.

Οι μαγνητοϋδροδυναμικές αστάθειες σχετίζονται με κάμψεις και στροφές γραμμών μαγνητικού πεδίου. Σε αυτή την περίπτωση, το πλάσμα μπορεί να αρχίσει να κινείται κατά μήκος του μαγνητικού πεδίου με τη μορφή συστάδων, σε λίγα εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου θα εγκαταλείψει τη ζώνη περιορισμού και θα δώσει θερμότητα στα τοιχώματα του θαλάμου. Τέτοιες αστάθειες μπορούν να κατασταλεί δίνοντας στο μαγνητικό πεδίο μια συγκεκριμένη διαμόρφωση.

Οι κινητικές αστάθειες είναι πολύ διαφορετικές και έχουν μελετηθεί με μικρότερη λεπτομέρεια. Μεταξύ αυτών υπάρχουν εκείνα που διαταράσσουν τις διατεταγμένες διαδικασίες, όπως, για παράδειγμα, τη ροή ενός συνεχούς ηλεκτρικού ρεύματος ή ενός ρεύματος σωματιδίων μέσω του πλάσματος. Άλλες κινητικές αστάθειες προκαλούν υψηλότερο ρυθμό εγκάρσιας διάχυσης του πλάσματος σε ένα μαγνητικό πεδίο από ό,τι προβλέπεται από τη θεωρία σύγκρουσης για ένα ήσυχο πλάσμα.

Συστήματα με κλειστή μαγνητική διαμόρφωση.

Εάν εφαρμοστεί ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο σε ένα ιονισμένο αγώγιμο αέριο, θα εμφανιστεί ένα ρεύμα εκκένωσης σε αυτό, ταυτόχρονα θα εμφανιστεί ένα μαγνητικό πεδίο που το περιβάλλει. Η αλληλεπίδραση του μαγνητικού πεδίου με το ρεύμα θα οδηγήσει στην εμφάνιση συμπιεστικών δυνάμεων που δρουν στα φορτισμένα σωματίδια αερίου. Εάν το ρεύμα ρέει κατά μήκος του άξονα του αγώγιμου καλωδίου πλάσματος, τότε οι προκύπτουσες ακτινικές δυνάμεις, όπως οι ελαστικές ταινίες, συμπιέζουν το καλώδιο, μετακινώντας το όριο του πλάσματος μακριά από τα τοιχώματα του θαλάμου που το περιέχει. Αυτό το φαινόμενο, που θεωρητικά προβλέφθηκε από τον W. Bennett το 1934 και αποδείχθηκε για πρώτη φορά πειραματικά από τον A. Ware το 1951, ονομάζεται φαινόμενο pinch. Η μέθοδος τσίμπημα χρησιμοποιείται για να περιέχει πλάσμα. Το αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό του είναι ότι το αέριο θερμαίνεται σε υψηλές θερμοκρασίες από το ίδιο το ηλεκτρικό ρεύμα (ωμική θέρμανση). Η θεμελιώδης απλότητα της μεθόδου οδήγησε στη χρήση της στις πρώτες απόπειρες συγκράτησης θερμού πλάσματος και η μελέτη του απλού φαινομένου τσιμπήματος, παρά το γεγονός ότι αργότερα αντικαταστάθηκε από πιο προηγμένες μεθόδους, κατέστησε δυνατή την καλύτερη κατανόηση των προβλημάτων. που αντιμετωπίζουν ακόμη και σήμερα οι πειραματιστές.

Εκτός από τη διάχυση του πλάσματος στην ακτινική κατεύθυνση, παρατηρείται επίσης η διαμήκης μετατόπιση και η έξοδός του μέσω των άκρων του κορδονιού πλάσματος. Οι απώλειες μέσω των άκρων μπορούν να εξαλειφθούν δίνοντας στο θάλαμο πλάσματος ένα σχήμα ντόνατ (torus). Σε αυτή την περίπτωση, λαμβάνεται ένα δακτυλιοειδές τσίμπημα.

Για το απλό τσίμπημα που περιγράφηκε παραπάνω, ένα σοβαρό πρόβλημα είναι οι εγγενείς μαγνητοϋδροδυναμικές του αστάθειες. Εάν συμβεί μια μικρή κάμψη στο νήμα του πλάσματος, τότε η πυκνότητα των γραμμών μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό της κάμψης αυξάνεται (Εικ. 1). Οι γραμμές μαγνητικού πεδίου, που συμπεριφέρονται σαν δέσμες που αντιστέκονται στη συμπίεση, θα αρχίσουν να «διογκώνονται» γρήγορα, έτσι ώστε η κάμψη να αυξηθεί μέχρι να καταστραφεί ολόκληρη η δομή του καλωδίου πλάσματος. Ως αποτέλεσμα, το πλάσμα θα έρθει σε επαφή με τα τοιχώματα του θαλάμου και θα κρυώσει. Για την εξάλειψη αυτού του καταστροφικού φαινομένου, πριν περάσει το κύριο αξονικό ρεύμα, δημιουργείται ένα διαμήκη μαγνητικό πεδίο στον θάλαμο, το οποίο, μαζί με ένα μεταγενέστερο κυκλικό πεδίο, «ισιώνει» την αρχική κάμψη της στήλης πλάσματος (Εικ. 2). Η αρχή της σταθεροποίησης μιας στήλης πλάσματος από ένα αξονικό πεδίο είναι η βάση για δύο πολλά υποσχόμενα έργα θερμοπυρηνικών αντιδραστήρων - ένα tokamak και ένα τσίμπημα με ένα ανεστραμμένο μαγνητικό πεδίο.

Ανοίξτε τις μαγνητικές διαμορφώσεις.

Αδρανειακή συγκράτηση.

Οι θεωρητικοί υπολογισμοί δείχνουν ότι η θερμοπυρηνική σύντηξη είναι δυνατή χωρίς τη χρήση μαγνητικών παγίδων. Για να γίνει αυτό, ένας ειδικά προετοιμασμένος στόχος (μια μπάλα δευτερίου με ακτίνα περίπου 1 mm) συμπιέζεται γρήγορα σε τόσο υψηλές πυκνότητες που η θερμοπυρηνική αντίδραση έχει χρόνο να ολοκληρωθεί πριν εξατμιστεί ο στόχος του καυσίμου. Η συμπίεση και η θέρμανση σε θερμοπυρηνικές θερμοκρασίες μπορούν να πραγματοποιηθούν με εξαιρετικά ισχυρούς παλμούς λέιζερ, ακτινοβολώντας ομοιόμορφα και ταυτόχρονα τη σφαίρα καυσίμου από όλες τις πλευρές (Εικ. 4). Με τη στιγμιαία εξάτμιση των επιφανειακών στρωμάτων του, τα σωματίδια που διαφεύγουν αποκτούν πολύ υψηλές ταχύτητες και η μπάλα υπόκειται σε μεγάλες συμπιεστικές δυνάμεις. Μοιάζουν με τις αντιδραστικές δυνάμεις που οδηγούν έναν πύραυλο, με τη μόνη διαφορά ότι εδώ αυτές οι δυνάμεις κατευθύνονται προς τα μέσα, προς το κέντρο του στόχου. Αυτή η μέθοδος μπορεί να δημιουργήσει πιέσεις της τάξης των 10 11 MPa και πυκνότητες 10.000 φορές μεγαλύτερες από την πυκνότητα του νερού. Σε μια τέτοια πυκνότητα, σχεδόν όλη η θερμοπυρηνική ενέργεια θα απελευθερωθεί με τη μορφή μιας μικρής έκρηξης σε χρόνο ~10–12 s. Οι μικροεκρήξεις που συμβαίνουν, καθεμία από τις οποίες ισοδυναμεί με 1-2 κιλά TNT, δεν θα προκαλέσουν ζημιά στον αντιδραστήρα και η υλοποίηση μιας σειράς τέτοιων μικροεκρήξεων σε μικρά διαστήματα θα επέτρεπε την πραγματοποίηση σχεδόν συνεχών παραγωγή χρήσιμης ενέργειας. Για τον αδρανειακό περιορισμό, ο σχεδιασμός του στόχου καυσίμου είναι πολύ σημαντικός. Ένας στόχος με τη μορφή ομόκεντρων σφαιρών από βαριά και ελαφριά υλικά θα επιτρέψει την πιο αποτελεσματική εξάτμιση των σωματιδίων και, κατά συνέπεια, τη μεγαλύτερη συμπίεση.

Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι με ενέργεια ακτινοβολίας λέιζερ της τάξης των megajoule (10 6 J) και απόδοση λέιζερ τουλάχιστον 10%, η παραγόμενη θερμοπυρηνική ενέργεια πρέπει να υπερβαίνει την ενέργεια που δαπανάται για την άντληση του λέιζερ. Οι εγκαταστάσεις θερμοπυρηνικών λέιζερ είναι διαθέσιμες σε ερευνητικά εργαστήρια στη Ρωσία, τις ΗΠΑ, τη Δυτική Ευρώπη και την Ιαπωνία. Αυτή τη στιγμή μελετάται η δυνατότητα χρήσης δέσμης βαρέων ιόντων αντί δέσμης λέιζερ ή συνδυασμού μιας τέτοιας δέσμης με δέσμη φωτός. Χάρη στη σύγχρονη τεχνολογία, αυτή η μέθοδος έναρξης μιας αντίδρασης έχει ένα πλεονέκτημα έναντι της μεθόδου λέιζερ, καθώς επιτρέπει σε κάποιον να αποκτήσει περισσότερη χρήσιμη ενέργεια. Το μειονέκτημα είναι η δυσκολία εστίασης της δέσμης στον στόχο.

ΜΟΝΑΔΕΣ ΜΕ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ

Οι μαγνητικές μέθοδοι περιορισμού του πλάσματος μελετώνται στη Ρωσία, στις ΗΠΑ, στην Ιαπωνία και σε ορισμένες ευρωπαϊκές χώρες. Η κύρια προσοχή δίνεται σε εγκαταστάσεις τύπου τοροειδούς, όπως το tokamak και ένα pinch με αντίστροφο μαγνητικό πεδίο, που εμφανίστηκαν ως αποτέλεσμα της ανάπτυξης απλούστερων τσιμπημάτων με σταθεροποιητικό διαμήκη μαγνητικό πεδίο.

Για περιορισμό πλάσματος με χρήση σπειροειδούς μαγνητικού πεδίου Bjείναι απαραίτητο να δημιουργηθούν συνθήκες υπό τις οποίες το πλάσμα δεν μετατοπίζεται προς τα τοιχώματα του κορμού. Αυτό επιτυγχάνεται με το «στρίψιμο» των γραμμών του μαγνητικού πεδίου (ο λεγόμενος «περιστροφικός μετασχηματισμός»). Αυτό το στρίψιμο γίνεται με δύο τρόπους. Στην πρώτη μέθοδο, ένα ρεύμα διέρχεται μέσω του πλάσματος, οδηγώντας στη διαμόρφωση του σταθερού τσιμπήματος που έχει ήδη συζητηθεί. Μαγνητικό πεδίο ρεύματος σι q Ј – σι q μαζί με σιΤο j δημιουργεί ένα πεδίο σύνοψης με την απαιτούμενη μπούκλα. Αν σιι σι q, η διαμόρφωση που προκύπτει είναι γνωστή ως tokamak (μια συντομογραφία για την έκφραση "TORIDAL CAMBER WITH MAGNETIC COILS"). Το Tokamak (Εικ. 5) αναπτύχθηκε υπό την ηγεσία του L.A. Artsimovich στο Ινστιτούτο Ατομικής Ενέργειας που ονομάστηκε έτσι. I.V. Kurchatov στη Μόσχα. Στο σιι ~ σι q λαμβάνουμε μια διαμόρφωση πρέζας με αντίστροφο μαγνητικό πεδίο.

Στη δεύτερη μέθοδο, χρησιμοποιούνται ειδικές ελικοειδείς περιελίξεις γύρω από έναν δακτυλιοειδές θάλαμο πλάσματος για να εξασφαλιστεί η ισορροπία του περιορισμένου πλάσματος. Τα ρεύματα σε αυτές τις περιελίξεις δημιουργούν ένα σύνθετο μαγνητικό πεδίο, που οδηγεί σε συστροφή των γραμμών δύναμης του συνολικού πεδίου μέσα στον δακτύλιο. Μια τέτοια εγκατάσταση, που ονομάζεται stellarator, αναπτύχθηκε στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον (ΗΠΑ) από τον L. Spitzer και τους συνεργάτες του.

Tokamak.

Μια σημαντική παράμετρος από την οποία εξαρτάται ο περιορισμός του δακτυλιοειδούς πλάσματος είναι το «περιθώριο σταθερότητας» q, ίσος rB j/ R.B. q, όπου rΚαι Rείναι η μικρή και η μεγάλη ακτίνα του δακτυλιοειδούς πλάσματος, αντίστοιχα. Στα χαμηλά qΜπορεί να αναπτυχθεί ελικοειδής αστάθεια - ένα ανάλογο της αστάθειας κάμψης μιας ευθείας πρέζας. Επιστήμονες στη Μόσχα απέδειξαν πειραματικά ότι όταν q> 1 (δηλ. σιι σιιζ) η πιθανότητα εμφάνισης αστάθειας της βίδας μειώνεται πολύ. Αυτό καθιστά δυνατή την αποτελεσματική χρήση της θερμότητας που παράγεται από το ρεύμα για τη θέρμανση του πλάσματος. Ως αποτέλεσμα πολλών ετών έρευνας, τα χαρακτηριστικά των tokamaks έχουν βελτιωθεί σημαντικά, ιδίως λόγω της αυξημένης ομοιομορφίας πεδίου και του αποτελεσματικού καθαρισμού του θαλάμου κενού.

Τα ενθαρρυντικά αποτελέσματα που επιτεύχθηκαν στη Ρωσία ώθησαν τη δημιουργία tokamaks σε πολλά εργαστήρια σε όλο τον κόσμο και η διαμόρφωσή τους έγινε αντικείμενο εντατικής έρευνας.

Η ωμική θέρμανση του πλάσματος σε ένα tokamak δεν είναι αρκετή για να πραγματοποιήσει μια αντίδραση θερμοπυρηνικής σύντηξης. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι όταν το πλάσμα θερμαίνεται, η ηλεκτρική του αντίσταση μειώνεται σημαντικά και ως αποτέλεσμα, η παραγωγή θερμότητας κατά τη διέλευση του ρεύματος μειώνεται απότομα. Είναι αδύνατο να αυξηθεί το ρεύμα σε ένα tokamak πάνω από ένα ορισμένο όριο, καθώς το καλώδιο πλάσματος μπορεί να χάσει τη σταθερότητα και να πεταχτεί στα τοιχώματα του θαλάμου. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιούνται διάφορες πρόσθετες μέθοδοι για τη θέρμανση του πλάσματος. Τα πιο αποτελεσματικά από αυτά είναι η έγχυση δεσμών ουδέτερου ατόμου υψηλής ενέργειας και η ακτινοβολία μικροκυμάτων. Στην πρώτη περίπτωση, τα ιόντα που επιταχύνονται σε ενέργειες 50-200 keV εξουδετερώνονται (για να αποφευχθεί η «ανακλάση» πίσω από το μαγνητικό πεδίο όταν εισάγονται στον θάλαμο) και εγχέονται στο πλάσμα. Εδώ ιονίζονται ξανά και στη διαδικασία των συγκρούσεων δίνουν την ενέργειά τους στο πλάσμα. Στη δεύτερη περίπτωση χρησιμοποιείται ακτινοβολία μικροκυμάτων, η συχνότητα της οποίας είναι ίση με τη συχνότητα ιόντων κυκλοτρονίου (η συχνότητα περιστροφής των ιόντων σε ένα μαγνητικό πεδίο). Σε αυτή τη συχνότητα, το πυκνό πλάσμα συμπεριφέρεται σαν ένα απολύτως μαύρο σώμα, δηλ. απορροφά πλήρως την προσπίπτουσα ενέργεια. Στο JET tokamak της Ευρωπαϊκής Ένωσης, ελήφθη πλάσμα με θερμοκρασία ιόντων 280 εκατομμύρια Kelvin και χρόνο εγκλεισμού 0,85 s με έγχυση ουδέτερων σωματιδίων. Η θερμοπυρηνική ισχύς που έφτασε τα 2 MW ελήφθη χρησιμοποιώντας πλάσμα δευτερίου-τριτίου. Η διάρκεια διατήρησης της αντίδρασης περιορίζεται από την εμφάνιση ακαθαρσιών λόγω εκτόξευσης των τοιχωμάτων του θαλάμου: οι ακαθαρσίες διεισδύουν στο πλάσμα και, όταν ιονίζονται, αυξάνουν σημαντικά τις απώλειες ενέργειας λόγω ακτινοβολίας. Επί του παρόντος, οι εργασίες στο πλαίσιο του προγράμματος JET επικεντρώνονται στην έρευνα σχετικά με τη δυνατότητα ελέγχου των ακαθαρσιών και απομάκρυνσής τους ως λεγόμενη. «μαγνητικός εκτροπέας».

Μεγάλα tokamak δημιουργήθηκαν επίσης στις ΗΠΑ - TFTR, στη Ρωσία - T15 και στην Ιαπωνία - JT60. Η έρευνα που διεξήχθη σε αυτές και σε άλλες εγκαταστάσεις έθεσε τα θεμέλια για ένα περαιτέρω στάδιο εργασίας στον τομέα της ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης: ένας μεγάλος αντιδραστήρας για τεχνικές δοκιμές έχει προγραμματιστεί να ξεκινήσει το 2010. Αναμένεται ότι αυτή θα είναι μια κοινή προσπάθεια μεταξύ των Ηνωμένων Πολιτειών, της Ρωσίας, της Ευρωπαϊκής Ένωσης και της Ιαπωνίας. δείτε επίσηςΤΟΚΑΜΑΚ.

Αντεστραμμένο τσίμπημα πεδίου (FRP).

Η διαμόρφωση POP διαφέρει από το tokamak στο ότι σι q~ σι j, αλλά σε αυτή την περίπτωση η κατεύθυνση του δακτυλιοειδούς πεδίου έξω από το πλάσμα είναι αντίθετη από την κατεύθυνση του μέσα στη στήλη του πλάσματος. Ο J. Taylor έδειξε ότι ένα τέτοιο σύστημα βρίσκεται σε κατάσταση με ελάχιστη ενέργεια και, παρά q

Το πλεονέκτημα της διαμόρφωσης POP είναι ότι σε αυτήν η αναλογία των ογκομετρικών ενεργειακών πυκνοτήτων του πλάσματος και του μαγνητικού πεδίου (τιμή b) είναι μεγαλύτερη από ότι σε ένα tokamak. Είναι θεμελιωδώς σημαντικό το b να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερο, καθώς αυτό θα μειώσει το σπειροειδές πεδίο και επομένως θα μειώσει το κόστος των πηνίων που το δημιουργούν και ολόκληρη τη δομή στήριξης. Η αδυναμία του POP είναι ότι η θερμομόνωση αυτών των συστημάτων είναι χειρότερη από αυτή των tokamaks και το πρόβλημα της διατήρησης ενός αντίστροφου πεδίου δεν έχει λυθεί.

Stellarator.

Σε ένα stellarator, ένα κλειστό σπειροειδές μαγνητικό πεδίο υπερτίθεται από ένα πεδίο που δημιουργείται από μια ειδική περιέλιξη βίδας γύρω από το σώμα της κάμερας. Το συνολικό μαγνητικό πεδίο αποτρέπει την απομάκρυνση του πλάσματος από το κέντρο και καταστέλλει ορισμένους τύπους μαγνητοϋδροδυναμικών αστάθειας. Το ίδιο το πλάσμα μπορεί να δημιουργηθεί και να θερμανθεί με οποιαδήποτε από τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται σε ένα tokamak.

Το κύριο πλεονέκτημα του stellarator είναι ότι η μέθοδος περιορισμού που χρησιμοποιείται σε αυτό δεν σχετίζεται με την παρουσία ρεύματος στο πλάσμα (όπως στα tokamaks ή σε εγκαταστάσεις που βασίζονται στο φαινόμενο pinch) και επομένως ο stellarator μπορεί να λειτουργεί σε στατική λειτουργία. Επιπλέον, η περιέλιξη της βίδας μπορεί να έχει αποτέλεσμα "εκτροπέα", δηλ. καθαρίστε το πλάσμα από ακαθαρσίες και αφαιρέστε τα προϊόντα αντίδρασης.

Ο περιορισμός του πλάσματος σε αστεροειδή έχει μελετηθεί εκτενώς σε εγκαταστάσεις στην Ευρωπαϊκή Ένωση, τη Ρωσία, την Ιαπωνία και τις ΗΠΑ. Στον αστερισμό Wendelstein VII στη Γερμανία, ήταν δυνατό να διατηρηθεί ένα πλάσμα που δεν μεταφέρει ρεύμα με θερμοκρασία μεγαλύτερη από 5×10 6 Kelvin, θερμαίνοντάς το με έγχυση μιας ατομικής δέσμης υψηλής ενέργειας.

Πρόσφατες θεωρητικές και πειραματικές μελέτες έχουν δείξει ότι στις περισσότερες από τις περιγραφόμενες εγκαταστάσεις, και ειδικά σε κλειστά δακτυλιοειδή συστήματα, ο χρόνος περιορισμού του πλάσματος μπορεί να αυξηθεί αυξάνοντας τις ακτινικές του διαστάσεις και το περιοριστικό μαγνητικό πεδίο. Για παράδειγμα, για ένα tokamak υπολογίζεται ότι το κριτήριο του Lawson θα ικανοποιηθεί (και μάλιστα με κάποιο περιθώριο) σε ένταση μαγνητικού πεδίου ~50 x 100 kG και μικρή ακτίνα του δακτυλίου θαλάμου περίπου. 2 μ. Αυτές είναι οι παράμετροι εγκατάστασης για 1000 MW ηλεκτρικής ενέργειας.

Κατά τη δημιουργία τόσο μεγάλων εγκαταστάσεων με μαγνητικό περιορισμό πλάσματος, προκύπτουν εντελώς νέα τεχνολογικά προβλήματα. Για να δημιουργηθεί ένα μαγνητικό πεδίο της τάξης των 50 kG σε όγκο αρκετών κυβικών μέτρων χρησιμοποιώντας υδρόψυκτα χάλκινα πηνία, θα χρειαστεί μια πηγή ηλεκτρικής ενέργειας με χωρητικότητα αρκετών εκατοντάδων μεγαβάτ. Επομένως, είναι προφανές ότι οι περιελίξεις του πηνίου πρέπει να είναι κατασκευασμένες από υπεραγώγιμα υλικά, όπως κράματα νιοβίου με τιτάνιο ή κασσίτερο. Η αντίσταση αυτών των υλικών στο ηλεκτρικό ρεύμα στην υπεραγώγιμη κατάσταση είναι μηδενική και, ως εκ τούτου, θα καταναλωθεί μια ελάχιστη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας για τη διατήρηση του μαγνητικού πεδίου.

Τεχνολογία αντιδραστήρων.

Προοπτικές για τη θερμοπυρηνική έρευνα.

Πειράματα που έγιναν σε εγκαταστάσεις τύπου tokamak έδειξαν ότι αυτό το σύστημα είναι πολλά υποσχόμενο ως πιθανή βάση για έναν αντιδραστήρα CTS. Τα καλύτερα αποτελέσματα μέχρι σήμερα έχουν επιτευχθεί με τα tokamaks και υπάρχει ελπίδα ότι με αντίστοιχη αύξηση της κλίμακας των εγκαταστάσεων, θα είναι δυνατή η εφαρμογή βιομηχανικών CTS σε αυτές. Ωστόσο, το tokamak δεν είναι αρκετά οικονομικό. Για να εξαλειφθεί αυτό το μειονέκτημα, είναι απαραίτητο να λειτουργεί όχι σε παλμική λειτουργία, όπως είναι τώρα, αλλά σε συνεχή λειτουργία. Αλλά οι φυσικές πτυχές αυτού του προβλήματος δεν έχουν ακόμη μελετηθεί αρκετά. Είναι επίσης απαραίτητο να αναπτυχθούν τεχνικά μέσα που θα βελτιώσουν τις παραμέτρους του πλάσματος και θα εξαλείψουν τις αστάθειες του. Λαμβάνοντας υπόψη όλα αυτά, δεν θα πρέπει να ξεχνάμε άλλες πιθανές, αν και λιγότερο ανεπτυγμένες, επιλογές για έναν θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα, για παράδειγμα, έναν αστεροειδή ή ένα αντιστρεπτό τσίμπημα στο πεδίο. Η κατάσταση της έρευνας σε αυτόν τον τομέα έχει φτάσει στο στάδιο όπου υπάρχουν εννοιολογικά σχέδια αντιδραστήρων για τα περισσότερα συστήματα μαγνητικού περιορισμού για πλάσματα υψηλής θερμοκρασίας και για ορισμένα συστήματα αδράνειας περιορισμού. Ένα παράδειγμα της βιομηχανικής ανάπτυξης ενός tokamak είναι το έργο Aries (ΗΠΑ).

Η ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη είναι μια ενδιαφέρουσα φυσική διαδικασία που (ακόμη θεωρητικά) μπορεί να σώσει τον κόσμο από την ενεργειακή εξάρτηση από πηγές ορυκτών καυσίμων. Η διαδικασία βασίζεται στη σύνθεση ατομικών πυρήνων από ελαφρύτερους σε βαρύτερους με την απελευθέρωση ενέργειας. Σε αντίθεση με μια άλλη χρήση του ατόμου - απελευθερώνοντας ενέργεια από αυτό στους πυρηνικούς αντιδραστήρες καθώς διασπάται - η σύντηξη στο χαρτί δεν θα αφήσει ουσιαστικά ραδιενεργά υποπροϊόντα.

Οι αντιδραστήρες σύντηξης μιμούνται την πυρηνική διαδικασία μέσα στον ήλιο, συνθλίβοντας ελαφρύτερα άτομα μεταξύ τους και μετατρέποντάς τα σε βαρύτερα, απελευθερώνοντας τεράστιες ποσότητες ενέργειας στην πορεία. Στον Ήλιο, αυτή η διαδικασία καθοδηγείται από τη βαρύτητα. Στη Γη, οι μηχανικοί προσπαθούν να αναδημιουργήσουν τις συνθήκες για την πυρηνική σύντηξη χρησιμοποιώντας εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες -της τάξης των 150 εκατομμυρίων βαθμών- αλλά αντιμετωπίζουν πρόβλημα να περιέχουν το πλάσμα που απαιτείται για τη σύντηξη ατόμων.

Μία από τις λύσεις που κατασκευάστηκαν αντιπροσωπεύεται από τον ITER, παλαιότερα γνωστό ως International Thermonuclear Experimental Reactor, ο οποίος βρίσκεται υπό κατασκευή από το 2010 στο Caradaches της Γαλλίας. Τα πρώτα πειράματα, που είχαν αρχικά προγραμματιστεί για το 2018, αναβλήθηκαν για το 2025.

Μόλις πριν λίγες μέρες αναφέραμε ότι το πρώτο