Термоядрен синтез
от Уикипедия, свободната енциклопедия
Термоядреният синтез е процесът, при който две или повече атомни ядра се сливат, образувайки по-тежко ядро. Реакцията е придружена от освобождаване или поглъщане на енергия, в зависимост от масите на участващите ядра. Но, най-често под термоядрен синтез се разбира синтез с участието на леки ядра, при което се отделя енергия.
Ядрата на желязото и никела имат най-голяма свързваща енергия и са най-стабилни. По принцип синтезът на две ядра, по-леки от тези на желязото или никела, води до отделяне на енергия, докато синтезът на по-тежки ядра поглъща енергия.
Най-многообещаващия метод, за провеждане на ядрен синтез, засега се очертава термоядреният. Основното при него е, че при много високи температури веществата преминават в плазмено състояние. Във вид на плазма те представляват смес от електрони и атомни ядра с енергия, достатъчно висока, за провеждане на ядрения синтез. Този процес протича във звездите от хиляди години, но за провеждането му на Земята са необходими специални реактори. Засега най-удобната конструкция за такъв реактор е т.н. - реактор тип "Токамак". Тук ще разгледаме неговото устройство и начин на действие.
Плазмата
Най-важният елемент от термоядрения синтез е плазмата, тъй като именно благодарение на това състояние на веществата протича той. Ето как се получава тя: горивото се внася в реактора в газообразно състояние. При достигане на необходимата за реакцията температура - над 100 милиона градуса Целзий - то сменя състоянието си от газ в плазма. Повече за начините за загряване на плазмата ще разберем по-долу. В плазмено състояние електроните се разделят от ядрата на атомите, които остават йони. Плазмата не е нищо ново за нашият свят - тя се използва отдавна в полупроводниковата, машиностроителната и много други индустрии, но там се получава по раличен начин - чрез смесване на газове под действието на електричен ток.Количеството газ използван по време на експеримент е по-малко от една десета от грама.Естествено, на Земята не е известно вещество, което да издържа на плазмените температури и именно поради това конструкторите на реактори са прибегнали до една хитрост при проектирането им - тъй като в плазмено състояние атомите се разделят на ядра и електрони, които са заредени частици, тя лесно може да се контролира с магнитни полета. По този начин тя може да левитира безопасно в камерата без да се допира до стените и, защото ако това стане те просто ще се изпарят.
Условия за синтез:
1.Температура - Реакцията на синтеза протича в задоволителна степен само при много високи температури. За да протече тя между Деуретий и Тритий са необходими над 100 милиона градуса Целзий, а за протичането и между други елементи е необходима дори и по-висока температура. Горещата плазма трябва да бъде добре изолирана от други материали, за да се избегне охлаждането и или смесването и с чужди атоми (замърсители), които ще я дестабилизират. Засега има няколко известни начина за подгряване на плазмата. Самостоятелно те не са много ефективни, но когато се комбинират се постига желаният ефект. Ето ги и тях :
С внасяне на ток и използване на съпротивлението на плазмата
Внасят се около 7 милион ампера (7МА) ток в плазмата. Тъй като тя има електрическо съпротивление се получава ефект, който най-лесно може да се оприличи с реотаните в електрическите печки. По този начин се добавят няколко мегавата подгряваща мощност.
Подгряване с неутрализиран лъч
Лъчи от деутериеви и тритиеви йони, ускорени чрез потенциал от 140 000 волта се внасят в плазмата. С цел да не се нарушава задържащото магнитно поле, ускорените лъчи са електрически неутрализирани. В плазмата лъчите се йонизират и бързите йони предават енергията си. Максималната достигана мощност е 21MW.
Загряване с радиосигнал
Йоните и електроните на плазмата се въртят в линиите на магнитното поле на Токамак. Енергията се предава в определени нейни части, където радио-вълни резонират с въртенето на йоните. По този начин се добавят допълнителни 20MW загряваща мощност.
Ток създаден с микровълни
10МW микровълни на 3.7 гигахерца ускоряват електроните на плазмата и създават в нея напрежение от 3МА.
Плазмено самоподгряване
Хелиевите ядра (алфа-частици) отделени при реакцията остават в магнитните линии. Тяхната енергия продължава да подгрява плазмата и поддържа ядрения синтез.
С протичането на процеса се освобождава голямо количество алфа частици (хелиеви ядра), които също внасят енергия в системата. Когато мощността от тях стане достатъчно голяма, за да поддържа температурата на плазмата, реакцията се самоподгрява - процес наречен запалване.
2.Вакуум - При протичане на процеса в реакторната камера не бива да има други вещества - веднъж попаднали в плазмата те го застрашават. Наричат се замърсители. Ето защо процесът протича във вакуум. По този начин се намалява, до известна степен, загубата на енергията на плазмата под формата на топлина. Всъщност учените нямат интерес да намаляват тази загуба до нула, не само защото това е невъзможно. Именно отделената от плазмата топлина ще бъде движител на бъдещите термоядрени електроцентрали. Вакуумът в камерата се поддържа от мощни помпи, които изсмукват въздухът преди началото на процесът. След това камерата се запечатва херметично, чрез серия от клапани, преди в нея да бъде внесено газообразното гориво. По този начин се постига целта в камерата да има атоми единствено на горивото.
Време за задържане на енергията: Времето за задържане на енергията представлява количествен израз за ефективността на магнитната изолация.То е характерна времева скала за изстиването на плазмата след като подгряващата система бъде изключена. С други думи, то е времето за което реакторът може да работи без подгряване. То е изключително важно, защото определя през какъв интервал трябва да бъде включвана подгряващата система. Примерно, ако това време е прекалено малко това значи, че реактора е неефективен, понеже изстива бързо, а постоянната работа на подгряващата система ще изразходва голяма част от произведената от него енергия. С други думи би било безсмислено да се поддържа толкова скъп реактор, който произвежда малко енергия.
Плътност: Плътността на горивните йони трябва да бъде достатъчна, за да се извършат необходимият брой синтезни реакции. Силата на реакцията намалява ако горивото е разредено от атоми отделили се от обкръжаващите го повърхности, или със събрал се хелиев "прах" в остатък от реакцията. Когато горивните йони намалеят участвайки в реакцията трябва да се добавят нови, а хелият да бъде отстранен.
За Деуретий-Тритиева реакция са небходими :
- Температура от 100-200 милиона градуса Целзий
- Време на задържане на енергията от 1-2 секунди
- Плътност на плазмата частици на кубичен метър (приблизително 1/1000 грама на кубичен метър)
4.Структура на Токамак
Тороидалната част от магнитно поле на реактора се създава от 32 големи D-образни бобини с намотки от мед. Те са равномерно разположени около вакуумната камера. Главната намотка (бобините създаващи вътрешното полоидално поле) на трансформатора използван да индуцира токът създаващ полидалното поле в плазмата е съсредоточен в центъра на камерата. Връзката между вътрешната намотка и тороидалната плазма е осъществена чрез множество двойки от масивни D-образни пръстени обърнати с плоската си страна към вътрешната намотка. По време на работа на реактора се създават огромни сили на отблъскване между намотките и токът в плазмата. Създаването на тока в плазмата се прави на импулси. Тези импулси се създават по един път на 20 минути, като всеки продължава по 60 секунди.
[редактиране] Вижте също
- Деление на атома
- Водородна бомба