Токамак і керований термоядерний синтез
Токамак (тороідальн камери з магнітної котушками) - тороїдальна установка для магнітного утримання плазми. Плазма утримувати не стінками камери, які не здатні витримати її температуру, а спеціально створюваним магнітним полем. Особливістю токамака є використання електричного струму, що протікає через плазму для створення полоідальним поля, необхідного для рівноваги плазми. Цим він відрізняється від стелараторі, в якому і тороїдальне і полоідальним поле створюється за допомогою магнітних котушок.
Термін «токамак» був введений українськими фізиками Ігорем Євгеновичем Таммом і Андрієм Дмитровичем Сахаровим в 50х роках як скорочення фрази «тороїдальна камера з магнітними котушками». Перший токамак був розроблений під керівництвом академіка Л. А. Арцимовича в Інституті атомної енергії ім. І. В. Курчатова в Москві і продемонстрований в 1968 в Одессае.
В даний час токамак вважається найбільш перспективним пристроєм для здійснення керованого термоядерного синтезу.
Токамак являє собою тороидальную вакуумну камеру, на яку намотано котушки для створення (тороїдального) магнітного поля. З вакуумної камери спочатку відкачують повітря, а потім заповнюють її сумішшю дейтерію і тритію. Потім, за допомогою індуктора, в камері створюють вихровий електричне поле. Індуктор являє собою первинну обмотку великого трансформатора, в якому камера токамака є вторинною обмоткою. Електричне поле викликає протікання струму і запалювання в камері плазми.
Протікає через плазму ток виконує два завдання:
- Нагріває плазму так само, як нагрівав б будь-який інший провідник (омічний нагрів).
- Створює навколо себе магнітне поле. Це магнітне поле називається полоідальним (т. Е. Спрямоване уздовж ліній, що проходять через полюси сферичної системи координат).
Магнітне поле стискає протікає через плазму струм. В результаті утворюється конфігурація, в якій гвинтові магнітні силові лінії «обвивають» плазмовий шнур. При цьому крок при обертанні в тороідальному напрямку не збігається з кроком в полоідальним напрямку. Магнітні лінії виявляються незамкнутими, вони нескінченно багато разів закручуються навколо тора, утворюючи т. Н. «Магнітні поверхні» тороидальной форми.
Наявність полоідальним поля необхідно для стабільного утримання плазми в такій системі. Так як воно створюється за рахунок збільшення струму в індукторі, а він не може бути нескінченним, час стабільного існування плазми в класичному токамаке обмежена. Для подолання цього обмеження розроблені додаткові способи підтримки струму. Для цього може бути використана інжекція в плазму прискорених нейтральних атомів дейтерію або тритію або мікрохвильове випромінювання.
Крім тороїдальних котушок, коли плазмовий шнуром необхідні додаткові котушки полоідальним поля. Вони являють собою кільцеві витки, навколо вертикальної осі камери токамака.
Одного тільки нагрівання за рахунок протікання струму недостатньо для нагріву плазми до температури, необхідної для здійснення термоядерної реакції. Для додаткового нагріву використовується мікрохвильове випромінювання на т. Зв. резонансних частотах (наприклад, співпадаючих з циклотронною частотою або електронів, або іонів) або інжекція швидких нейтральних атомів.
Керований термоядерний синтез
Сонце - природний термоядерний реактор
Керований термоядерний синтез (УТС) - синтез більш важких атомних ядер з більш легких з метою отримання енергії, який носить керований характер на відміну від вибухового термоядерного синтезу (використовуваного в термоядерному зброю). Керований термоядерний синтез відрізняється від традиційної ядерної енергетики тим, що в останній використовується реакція розпаду, в ході якої з важких ядер виходять більш легкі ядра. В основних ядерних реакціях, які планується використовувати в цілях здійснення керованого термоядерного синтезу, будуть застосовуватися дейтерій (2H) і тритій (3H), а в більш віддаленій перспективі гелій-3 (3He).
Доля термоядерного синтезу
Ідея створення термоядерного реактора зародилася в 1950-х роках. Тоді від неї було вирішено відмовитися, оскільки вчені були не в змозі вирішити безліч технічних проблем. Минуло кілька десятиліть раніше, ніж вченим вдалося «змусити» реактор зробити хоч скільки-небудь термоядерної енергії.
Схема Міжнародного термоядерного реактора (ІТЕР)
Проект по числу учасників порівняємо з іншим найбільшим міжнародним науковим проектом - Міжнародної космічної станції. Вартість ІТЕР, перш досягала 8 мільярдів доларів, потім склала менше 4 мільярдів. В результаті виходу з числа учасників Сполучених Штатів було вирішено зменшити потужність реактора з 1,5 ГВт до 500 МВт. Відповідно «схудла» і ціна проекту.
Термоядерний синтез - це дешевий і екологічно безпечний спосіб видобутку енергії. На Сонці вже мільярди років відбувається некерований термоядерний синтез - з важкого ізотопу водню дейтерію утворюється гелій. При цьому виділяється колосальна кількість енергії. Однак на Землі люди поки не навчилися управляти подібними реакціями.
Плазма в термоядерному реакторі
В якості палива в реакторі ІТЕР використовуватимуться ізотопи водню. В ході термоядерної реакції енергія виділяється при з'єднанні легких атомів в більш важкі. Щоб домогтися цього, необхідно розігріти газ до температури понад 100 мільйонів градусів - набагато вище температури в центрі Сонця. Газ при такій температурі перетворюється в плазму. Атоми ізотопів водню при цьому зливаються, перетворюючись на атоми гелію з виділенням великої кількості нейтронів. Електростанція, що працює на цьому принципі, використовуватиме енергію нейтронів, сповільнюються шаром щільної речовини (літію)
На будівництво станції піде як мінімум 10 років і 5 млрд доларів. За престижне право бути батьківщиною гіганта енергетики змагаються Франція і Японія.
З пропозиціями розмістити реактор на своїх територіях виступили Канада, Японія, Іспанія і Франція.
Канада обгрунтовує необхідність розмістити реактор на своїй території тим, що саме в цій країні знаходяться значні запаси тритію, що є відходом атомної енергетики. Будівництво термоядерного реактора дозволить їх утилізувати.
В Японії, за повідомленнями агентства «Кіодо Цусін», три префектури вели відчайдушну боротьбу за право будівництва реактора у себе. У той же час жителі північного острова Хоккайдо виступали проти зведення його на їхній землі.
«У нас є вже існуюча наукова і технічна структура, компетентність і досвід, що є гарантом виконання намічених термінів», - сказав міністр досліджень Франції.
Японія також має ряд переваг - Роккашо-мура знаходиться поруч з портом і поряд з військовою базою США. До того ж японці готові вкласти в проект куди більше грошей, ніж Франція. «Якщо буде обрана Японія, ми покриємо всі необхідні витрати», - заявив міністр науки і освіти Японії.
Представник уряду Франції розповів журналістам, що перед зустріччю він провів «дуже інтенсивні переговори на високому рівні». Однак, за деякими даними, всі країни, крім Євросоюзу, краще ставляться до Японії, ніж Франції.
Нова установка, за оцінкою вчених, екологічно більш безпечна, ніж працюючі сьогодні ядерні реактори. Як відпрацьованого палива в установці ITER утворюється гелій, а не його ізотопи, які потрібно зберігати в спеціальних сховищах десятки років.
Вчені вважають, що запаси палива для таких електростанцій практично невичерпні - дейтерій і тритій легко видобуваються з морської води. Кілограм цих ізотопів може виділити стільки ж енергії, скільки 10 млн кг органічного палива.
Величезне спасибі.)
Напевно з морської води, тритій і дейтерій видобуваються електролізом. Я так і думав.))
Ось вам і атомне паливо, для всіх і кожного. Майбутнє не за горами, воно завжди було перед нами.))