МЭ поясняет. Топливо дейтерий-тритиевого термоядерного реактора

В ядре всех изотопов водорода есть только один протон, но количество нейтронов варьируется.

Изображение предоставлено General Atomics

Энергия термоядерного синтеза может обеспечить безопасную, чистую и почти безграничную энергию. Хотя реакции синтеза могут происходить для легких ядер с меньшим весом, чем железо, большинство элементов не будут сливаться, если они не находятся внутри звезды. Чтобы создать горящую плазму в экспериментальных термоядерных реакторах, таких как токамаки и стеллараторы, ученые ищут топливо, которое относительно легко производить, хранить и доводить до синтеза. Текущий лучший выбор для термоядерных реакторов дейтериево-тритиевое топливо. Это топливо достигает условий синтеза при более низких температурах по сравнению с другими элементами и выделяет больше энергии, чем другие реакции синтеза.

Дейтерий и тритий — изотопы водорода, самого распространенного элемента во Вселенной. В то время как все изотопы водорода имеют один протон, дейтерий также имеет один нейтрон, а тритий имеет два нейтрона, поэтому их ионные массы тяжелее протия, изотопа водорода без нейтронов. Когда дейтерий и тритий сливаются, они создают ядро ​​гелия, которое имеет два протона и два нейтрона. Реакция высвобождает энергичный нейтрон. Термоядерные электростанции будут преобразовывать энергию, высвобождаемую в результате термоядерных реакций, в электричество для питания наших домов, предприятий и других нужд.

К счастью, дейтерий распространен. Примерно 1 из каждых 5000 атомов водорода в морской воде находится в форме дейтерия. Это означает, что наши океаны содержат много тонн дейтерия. Когда термоядерная энергия станет реальностью, всего один галлон морской воды сможет произвести столько же энергии, сколько 300 галлонов бензина.

Тритий — радиоактивный изотоп, который относительно быстро распадается (период полураспада — 12 лет) и редко встречается в природе.К счастью, воздействие энергичных нейтронов на более распространенный элемент лития может привести к образованию трития. Работающей термоядерной электростанции потребуется обогащенный литий для производства трития, необходимого для замыкания дейтериево-тритиевого топливного цикла. Текущие усилия в области НИОКР сосредоточены на усовершенствованных конструкциях воспроизводящих тритий бланкетов с использованием лития, первоначально полученного из земных источников.

Управление науки Министерства энергетики США: вклад в дейтериево-тритиевое топливо

Частью миссии Управления науки Министерства энергетики, программы Fusion Energy Sciences (FES) является разработка практического источника термоядерной энергии. FES работает с программой Advanced Scientific Computing Research, используя научные вычисления для развития науки о термоядерном синтезе и понимания влияния массы ионов на различные явления в плазме. На пользовательских объектах Office of Science, таких как токамак DIII-D и сферический токамак NSTX-U, ученые изучают влияние массы ионов на удержание плазмы, перенос и турбулентность. Удержание продуктов синтеза, таких как ион гелия, также изучается в присутствии винтовых магнитных полей. Программа Office of Science Nuclear Physics развивает фундаментальную ядерную науку, лежащую в основе понимания термоядерного синтеза, путем создания баз данных ядерных реакций, создания ядерных изотопов и выяснения аспектов нуклеосинтеза.

Факты о дейтериево-тритиевом топливе

• Вода из дейтерия примерно на 10 процентов тяжелее обычной воды. Вот почему ее иногда называют «тяжелой водой». Он фактически опустится на дно стакана с обычной водой.
• Источники трития на Земле включают естественное производство в результате взаимодействия с космическими лучами, энергетические ядерные реакторы деления, такие как тяжеловодный реактор CANDU, и испытания ядерного оружия.
• Чтобы избежать определенных проблем, связанных с исследованиями и разработками, включая повреждение структурных материалов от энергичных нейтронов, ученые-ядерщики также интересуются анейтронными реакциями синтеза (такими как синтез дейтерия-гелия-3 и протона-бора), даже несмотря на то, что эти реакции синтеза происходят при более высоких температурах ионов, чем для дейтерия и тритий.

Ресурсы и связанные термины

• Как работает термоядерная энергия?
• Программа Министерства энергетики США по науке о термоядерной энергетике
• Наука крупным планом: разработка поваренной книги для эффективной термоядерной энергетики
• Исследования Fusion стимулируют инновации
• Узнайте о совместных усилиях Министерства энергетики и частного сектора по продвижению термоядерной энергетики из этих презентаций семинара в июне 2022 года.

Благодарности

Мэтью Ланктот (Управление науки Министерства энергетики США)

Научные термины могут сбивать с толку. DOE Explains предлагает простые объяснения ключевых слов и понятий в фундаментальной науке. В нем также описывается, как эти концепции применяются к работе, которую проводит Управление науки Министерства энергетики, помогая Соединенным Штатам преуспеть в исследованиях по всему научному спектру.