термоядерный реактор
Несмотря на то, что были приложены все усилия для соблюдения правил стиля цитирования, могут быть некоторые расхождения. Пожалуйста, обратитесь к соответствующему руководству по стилю или другим источникам, если у вас есть какие-либо вопросы.
Выберите стиль цитирования
Копировать цитату
Делиться
Делиться
Поделиться в социальных сетях
Дать обратную связь
Внешние веб-сайты
Обратная связь
Спасибо за ваш отзыв
Наши редакторы рассмотрят то, что вы отправили, и решат, следует ли пересматривать статью.
Внешние веб-сайты
- Международное агентство по атомной энергии — Что такое ядерный синтез?
Распечатать
Распечатать Распечатать
Пожалуйста, выберите разделы, которые вы хотите распечатать:
Цитировать
провереноЦитировать
Несмотря на то, что были приложены все усилия для соблюдения правил стиля цитирования, могут быть некоторые расхождения. Пожалуйста, обратитесь к соответствующему руководству по стилю или другим источникам, если у вас есть какие-либо вопросы.
Выберите стиль цитирования
Копировать цитату
Делиться
Делиться
Поделиться в социальных сетях
Обратная связь
Внешние веб-сайты
Обратная связь
Спасибо за ваш отзыв
Наши редакторы рассмотрят то, что вы отправили, и решат, следует ли пересматривать статью.
Внешние веб-сайты
- Международное агентство по атомной энергии — Что такое ядерный синтез?
Альтернативные названия: термоядерная электростанция, термоядерный реактор.
Оглавление
термоядерный реактор
термоядерный реактор, также называемый термоядерная электростанция или же термоядерный реактор, устройство для производства электроэнергии из энергии, выделяемой в реакции ядерного синтеза. Использование реакций ядерного синтеза для производства электроэнергии остается теоретическим.
С 1930-х годов ученым известно, что Солнце и другие звезды генерируют энергию в результате ядерного синтеза. Они поняли, что если производство термоядерной энергии можно воспроизвести контролируемым образом на Земле, это вполне может стать безопасным, чистым и неисчерпаемым источником энергии. В 1950-х годах начались всемирные исследования по разработке термоядерного реактора. Существенные достижения и перспективы этого продолжающегося усилия описаны в этой статье.
Общие характеристики
Механизмом производства энергии в термоядерном реакторе является соединение двух легких атомных ядер. Когда два ядра сливаются, небольшое количество массы превращается в большое количество энергии. Энергия (Е) и масса (м) связаны соотношением Эйнштейна, Е = мс 2 , по большому коэффициенту преобразования с 2 , где с скорость света (около 3 × 10 8 метров в секунду, или 186 000 миль в секунду). Масса может быть преобразована в энергию также путем ядерного деления, расщепления тяжелого ядра. Этот процесс разделения используется в ядерных реакторах.
Реакции синтеза тормозятся электрической силой отталкивания, называемой кулоновской силой, которая действует между двумя положительно заряженными ядрами.Чтобы произошло слияние, два ядра должны приблизиться друг к другу с высокой скоростью, чтобы преодолеть свое электрическое отталкивание и достичь достаточно малого расстояния (менее одной триллионной сантиметра), чтобы преобладало сильное взаимодействие ближнего действия. Для производства полезного количества энергии необходимо слияние большого количества ядер; то есть должен быть произведен газ плавящихся ядер. В газе при чрезвычайно высоких температурах среднее ядро содержит достаточную кинетическую энергию для синтеза. Такая среда может быть получена путем нагревания обычного газа выше температуры, при которой электроны выбиваются из их атомов. В результате получается ионизированный газ, состоящий из свободных отрицательных электронов и положительных ядер. Этот ионизированный газ находится в плазменном состоянии, четвертом состоянии вещества. Большая часть материи во Вселенной находится в состоянии плазмы.
Британика Викторина
Энергия и ископаемое топливо
От ископаемого топлива и солнечной энергии до электрических чудес Томаса Эдисона и Николы Теслы — мир живет за счет энергии. Используйте свои природные ресурсы и проверьте свои знания об энергии в этой викторине.
В основе экспериментальных термоядерных реакторов лежит высокотемпературная плазма. Между ядрами происходит слияние, при этом электроны присутствуют только для поддержания макроскопической нейтральности заряда. Температура плазмы составляет около 100 000 000 кельвинов (К; около 100 000 000 ° C или 180 000 000 ° F), что более чем в шесть раз превышает температуру в центре Солнца. (Более высокие температуры требуются для более низких давлений и плотностей, встречающихся в термоядерных реакторах.) Плазма теряет энергию в результате таких процессов, как излучение, проводимость и конвекция, поэтому для поддержания горячей плазмы требуется, чтобы реакции синтеза добавляли достаточно энергии, чтобы уравновесить потери энергии. Чтобы достичь этого баланса, произведение плотности плазмы на время удержания ее энергии (время, необходимое плазме, чтобы потерять свою энергию, если ее не восполнить) должно превышать критическое значение.
Звезды, включая Солнце, состоят из плазмы, вырабатывающей энергию в результате термоядерных реакций. В этих естественных термоядерных реакторах плазма удерживается под высоким давлением огромным гравитационным полем. Невозможно собрать на Земле плазму, достаточно массивную, чтобы ее можно было удерживать под действием гравитации. Для наземных применений существует два основных подхода к управляемому синтезу, а именно магнитное удержание и инерционное удержание.
Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас
В магнитном удержании плазма низкой плотности удерживается в течение длительного периода времени магнитным полем. Плотность плазмы составляет примерно 10 21 частиц на кубический метр, что во много тысяч раз меньше плотности воздуха при комнатной температуре. При этом время удержания энергии должно быть не менее одной секунды, т. е. энергия в плазме должна обновляться каждую секунду.
При инерционном удержании не предпринимается никаких попыток удерживать плазму сверх времени, необходимого для ее разборки. Время удержания энергии — это просто время, необходимое для расширения плавящейся плазмы. Ограниченная только собственной инерцией, плазма выживает лишь около одной миллиардной доли секунды (одной наносекунды). Следовательно, безубыточность в этой схеме требует очень большой плотности частиц, обычно около 10 30 частиц на кубический метр, что примерно в 100 раз превышает плотность жидкости. Термоядерная бомба является примером инерционно удерживаемой плазмы. В силовой установке с инерционным удержанием экстремальная плотность достигается за счет сжатия твердой топливной гранулы миллиметрового масштаба с помощью лазеров или пучков частиц. Эти подходы иногда называют лазерным синтезом или синтезом пучков частиц.
Наименее трудная для осуществления реакция синтеза объединяет дейтрон (ядро атома дейтерия) с тритоном (ядро атома трития). Оба ядра являются изотопами ядра водорода и содержат единичную единицу положительного электрического заряда.Таким образом, для синтеза дейтерия-трития (DT) требуется, чтобы ядра имели меньшую кинетическую энергию, чем это необходимо для синтеза более сильно заряженных и более тяжелых ядер. Два продукта реакции — альфа-частица (ядро атома гелия) с энергией 3,5 миллиона электрон-вольт (МэВ) и нейтрон с энергией 14,1 МэВ (1 МэВ — энергетический эквивалент температуры около 10 000 000 000 К). Нейтрон, лишенный электрического заряда, не подвержен влиянию электрических или магнитных полей и может покинуть плазму, чтобы отдать свою энергию окружающему материалу, такому как литий. Тепло, вырабатываемое в литиевом «одеяле», затем может быть преобразовано в электрическую энергию с помощью обычных средств, таких как паровые турбины. Между тем электрически заряженные альфа-частицы сталкиваются с дейтронами и тритонами (путем их электрического взаимодействия) и могут магнитно удерживаться внутри плазмы, тем самым передавая свою энергию реагирующим ядрам. Когда это перераспределение энергии синтеза в плазму превышает мощность, теряемую из плазмы, плазма становится самоподдерживающейся или «зажигается».
Хотя тритий не встречается в природе, тритоны и альфа-частицы образуются, когда нейтроны от реакций синтеза DT захватываются окружающим литиевым бланкетом. Затем тритоны возвращаются в плазму. В этом отношении термоядерные реакторы DT уникальны, поскольку они используют свои отходы (нейтроны) для производства большего количества топлива. В целом, термоядерный реактор DT использует дейтерий и литий в качестве топлива и генерирует гелий в качестве побочного продукта реакции. Дейтерий можно легко получить из морской воды — примерно одна из каждых 3000 молекул воды содержит атом дейтерия. Литий также распространен и недорог. На самом деле дейтерия и лития в океанах достаточно, чтобы обеспечить мировые потребности в энергии на миллиарды лет. С дейтерием и литием в качестве топлива термоядерный реактор DT был бы фактически неисчерпаемым источником энергии.
Практический термоядерный реактор также будет иметь несколько привлекательных характеристик безопасности и защиты окружающей среды. Во-первых, термоядерный реактор не будет выделять загрязняющие вещества, сопровождающие сжигание ископаемого топлива, в частности, газы, способствующие глобальному потеплению. Во-вторых, поскольку термоядерная реакция не является цепной реакцией, в термоядерном реакторе не может произойти неконтролируемая цепная реакция или «расплавление», как это может произойти в ядерном реакторе. Реакция синтеза требует замкнутой горячей плазмы, и любое прерывание работы системы управления плазмой погасит плазму и прекратит синтез. В-третьих, основные продукты реакции синтеза (атомы гелия) не радиоактивны. Хотя некоторые радиоактивные побочные продукты образуются в результате поглощения нейтронов окружающим материалом, существуют материалы с низкой активацией, так что эти побочные продукты имеют гораздо более короткий период полураспада и менее токсичны, чем отходы ядерного реактора. Примеры таких низкоактивируемых материалов включают специальные стали или керамические композиты (например, карбид кремния).
