هل الاندماج النووي الحراري المتحكم به ممكن في ظل ظروف الأرض؟

تم التعبير عن فكرة استخدام الاندماج النووي الحراري للأغراض الصناعية منذ 60 عامًا في عام 1950. بدت الفكرة بسيطة. تندمج أربع ذرات هيدروجين في ذرة هيليوم واحدة، مما يؤدي إلى إطلاق كمية هائلة من الطاقة دون أي إشعاع. هناك الكثير من الهيدروجين على الأرض، مما يعني أنه سيكون من الممكن الحصول على الكثير من الطاقة النظيفة. وسرعان ما تحققت هذه الفكرة، ليس فقط للأغراض الصناعية، ولكن للأغراض العسكرية - تم إنشاء قنبلة هيدروجينية. يبدو أنه لم يتبق سوى القليل للتحسين - لإبطاء العملية حتى لا تكون متفجرة، بل ستسير بسرعة يمكن التحكم فيها. بدت المشكلة قابلة للحل. تمت الكتابة عن وفرة الطاقة القادمة في الكتب المدرسية، وتم الحديث عنها في وسائل الإعلام، وتم إنتاج أفلام شعبية.

بدأ الأمر ببناء توكوماك - وهي منشآت حلقية للحبس المغناطيسي للبلازما من أجل تحقيق الظروف اللازمة للاندماج النووي الحراري المتحكم فيه (الشكل 1، http://ru.wikipedia.org/wiki/%D2%EE%EA% E0%EC% E0%EA).

في المجموع، تم بناء حوالي 300 توكاماك في العالم (وفقًا للتقديرات الأكثر تحفظًا، تكلفتها 150 مليار دولار). لكن حتى يومنا هذا، لم يكن أي من مباني التوكاماك المبنية مناسبًا للأغراض الصناعية. المشكلة الرئيسية هي أن سلك البلازما الحلقي ذو المعلمات الكافية لحدوث التفاعلات النووية الحرارية يكون قصير العمر. ظهرت مؤخرًا رسالة "مشجعة" أخرى على الإنترنت (http://science.compulenta.ru/268602): "سجل العلماء اليابانيون رقمًا قياسيًا جديدًا في فيزياء البلازما - فقد تمكنوا من الاحتفاظ بالبلازما في JT-60 tokamak مقابل 28.6 وهذا الرقم هو تقريبًا ضعف الرقم القياسي لعام 2004 البالغ 16.5 ثانية. إن مثل هذه الرسالة "المشجعة"، عندما يتعلق الأمر باستخدام الاندماج النووي للأغراض الصناعية، لا يمكن أن ينظر إليها إلا على أنها سخرية. "يأتي العلماء إلى العمل، ويقومون بتشغيل المفاعل، ويحدث التفاعل بسرعة، ويبدو أنهم يوقفونه ويجلسون ويفكرون. ما هو السبب وراء ذلك؟ وهكذا لعقود من الزمن، دون جدوى... أ لقد قطعنا شوطًا طويلًا وتم بذل الكثير لتحقيق الهدف النهائي، ولكن لسوء الحظ، كانت النتيجة سلبية. ولم يتم إنشاء مفاعل نووي حراري خاضع للرقابة. وسوف يستغرق الأمر 30...40 عامًا أخرى لتحقيق وعود العلماء ولكن هل لن تكون هناك نتائج خلال 60 عاماً؟ لماذا يجب أن يحدث ذلك خلال 30...40 عاماً؟ (http://n-t.ru/tp/ie/ts.htm). حاليا في الأخبار ايتر- مشروع مفاعل نووي حراري تجريبي دولي. تم الانتهاء من تصميم المفاعل، وتم اختيار موقع لبنائه – في جنوب فرنسا. مشروع بناء ITER يشمل الصين واليابان كوريا الجنوبيةوروسيا والولايات المتحدة الأمريكية ودول الاتحاد الأوروبي والهند. وقدرت تكلفة المشروع في البداية بنحو 12 مليار دولار. في يوليو 2010، وبسبب التغييرات في التصميم وارتفاع تكاليف المواد، تم تعديل تكلفة بناء المفاعل النووي الحراري الدولي ITER وزيادتها إلى 15 مليار يورو. الموعد المقرر لإنجاز المفاعل هو عام 2015. ما الذي يمكن أن تتوقعه من التوكاماك التالي، وإن كان كبيرًا جدًا؟ لكن التفاعل النووي الحراري غير المتفجر يحدث بشكل مستمر على الشمس!

قصة التوكاماك تذكرني بقصة الآلات الدائمة الحركة. كل مخترع قادم لآلة الحركة الدائمة ينتظر أن يبدأ عملها. لكنها لا تعمل. لكن مخترعي آلات الحركة الدائمة لا يعرفون أحد القوانين الأساسية للفيزياء - قانون الحفاظ على الطاقة. ربما لا يعرف منشئو التوكاماك شيئًا ما؟ نعم، ربما هذا صحيح. إنهم لا يعرفون خصائص البنية المكتشفة مؤخرًا لفراغ الفضاء (http://www.worldspace.nm.ru/ru/articles/pdf/vivvd-1.pdf). ومع ذلك، من الأفضل إعطاء الكلمة لمؤلف الاكتشاف أ.ف. ريكوف:

"أكد علماء الفيزياء الفلكية بعد عام 1998 أن الكون يخفي (بدون إشعاع) طاقة والمادة "المظلمة". إن اكتشاف بنية الفراغ يجعل من الممكن فهم هذه الكيانات "المظلمة" للكون علاقة لا تنفصم بين الجاذبية والجاذبية المضادة، المسؤولة عن الطاقة "المظلمة". هيكل الفراغ ذو طبيعة كهرومغناطيسية ويتكون من شبكة بلورية ذات شحنات أولية في عقدها ذات الحجم (+.-)1.602176462е -19كولوم وتدفقات الحث المغناطيسي المرتبطة بالشحنات والحجم ف=4.8032042e -18ويبر. شعرية مع حجم العنصر 1.3987631e -15م يؤدي وظيفة الطاقة "المظلمة"، وتدفق الحث المغناطيسي يؤدي وظيفة المادة "المظلمة".

خطوة هيكل الفراغ 37832 أقل من نصف قطر ذرة الهيدروجين، وهو ما يفسر استحالة حماية الجاذبية وغيرها من الإجراءات المماثلة (إزالة التوتر الكهربائي من شحنات الهيكل). فهو ثابت ومتصل بشكل صارم بفراغ الكون، الذي ينتشر فيه الضوء وفقًا لماكسويل. يضمن صغر الهيكل وجوده واختراقه لأي أشياء وأجهزة يصنعها الناس. وهذا الاختراق موجود أيضًا في المنشآت التجريبية من نوع توكاماك. في التركيبات الحديثة التي تحتوي على مصائد مغناطيسية من بلازما الديوتيريوم أو التريتيوم، يدمر هيكل الفراغ المنتشر العزل المغناطيسي ويطلق البلازما منه. وهذا هو سبب فشل محاولات الحصول على الطاقة النووية الحرارية على الأرض. على الشمس، جميع التفاعلات النووية الحرارية محدودة في الفضاء بسبب الجاذبية مع تسارع جاذبية يبلغ 273 م/ث2، وهو أمر مستحيل تحقيقه على الأرض.

ولا يسعني إلا أن أضيف بالأصالة عن نفسي أن درجة الحرارة في مركز الشمس تبلغ حوالي 15 مليون درجة، كما أن الضغط والكثافة لا يمكن مقارنتهما بما يمكن توفيره على الأرض.

إن الرغبة المستمرة في إتقان الطاقة النووية الحرارية ترجع إلى احتياجات الطاقة الهائلة للصناعة، بل والبنية التحتية بأكملها لحضارتنا. وفي الوقت نفسه، كانت اللحظة قد حانت منذ فترة طويلة عندما كان من الممكن والضروري الانتقال من التقنيات القديمة المستهلكة للطاقة إلى التقنيات الجديدة القائمة على أفكار الإلكترونيات الإلكترونية. ولو لم يكن ذلك قبل 60 عامًا، ولكن منذ 20 إلى 30 عامًا على الأقل، كانت الأموال المستثمرة خلال هذا الوقت في إنشاء توكاماك تهدف إلى تطوير تقنيات موفرة للطاقة، لما واجه كوكبنا هذه المشاكل من الجوع في مجال الطاقة والكوارث البيئية.

1. من إعداد مشروع Astrogalaxy 2. نشر المشروع 5 أكتوبر 2011 3. مؤلف المقال L.M. Toptunov لمشروع "Astrogalaxy"

"قلنا أننا سنضع الشمس في صندوق. الفكرة رائعة. "لكن المشكلة هي أننا لا نعرف كيفية إنشاء هذا الصندوق" - بيير جيل دي جين، الحائز على جائزة جائزة نوبلفي الفيزياء 1991.

في حين أن هناك عددًا لا بأس به من العناصر الثقيلة اللازمة للتفاعلات النووية على الأرض وفي الفضاء بشكل عام، إلا أن هناك الكثير من العناصر الخفيفة اللازمة للتفاعلات النووية الحرارية على الأرض وفي الفضاء. لذلك، جاءت فكرة استخدام الطاقة النووية الحرارية لصالح البشرية على الفور تقريبًا مع فهم العمليات التي تقوم عليها - وهذا يعد بإمكانيات لا حدود لها حقًا، حيث أن احتياطيات الوقود النووي الحراري على الأرض كان ينبغي أن تكون كافية لعشرات الآلاف من البشر. سنوات قادمة.

بالفعل في عام 1951، ظهر اتجاهان رئيسيان لتطوير المفاعلات النووية الحرارية: قام أندريه ساخاروف وإيجور تام بتطوير بنية توكاماك حيث كانت غرفة العمل عبارة عن طارة، في حين اقترح ليمان سبيتزر بنية ذات تصميم أكثر تعقيدًا في الشكل الذي يذكرنا بشكل أكبر بمفاعل نووي حراري. شريط موبيوس المقلوب ليس مرة واحدة، بل عدة مرات.

سمحت بساطة التصميم الأساسي للتوكاماك منذ وقت طويللتطوير هذا الاتجاه من خلال تحسين خصائص المغناطيس التقليدي والفائق التوصيل، وكذلك من خلال زيادة حجم المفاعل تدريجيًا. ولكن مع زيادة معلمات البلازما، بدأت تظهر تدريجيا مشاكل في سلوكها غير المستقر، مما أدى إلى إبطاء العملية.

أدى تعقيد تصميم النجم تماما إلى حقيقة أنه بعد التجارب الأولى في الخمسينيات، توقف تطوير هذا الاتجاه لفترة طويلة. لقد حصل على فرصة جديدة للحياة مؤخرًا مع ظهور أنظمة التصميم الحديثة بمساعدة الكمبيوتر، والتي مكنت من تصميم Wendelstein 7-X stellator مع المعلمات ودقة التصميم اللازمة لتشغيله.

فيزياء العملية ومشاكل تنفيذها

تمتلك ذرات الحديد الحد الأقصى من طاقة الارتباط لكل نيوكليون - وهو مقياس للطاقة التي يجب إنفاقها لتقسيم الذرة إلى النيوترونات والبروتونات المكونة لها، مقسومة على عددها الإجمالي. جميع الذرات ذات الكتلة الأقل والأعلى لها هذا المؤشر أسفل الحديد:

في هذه الحالة، في التفاعلات النووية الحرارية لاندماج ذرات الضوء حتى الحديد، يتم إطلاق الطاقة، وتصبح كتلة الذرة الناتجة أقل بقليل من مجموع كتل الذرات الأولية بمقدار يرتبط بالطاقة المنطلقة وفقًا للصيغة E = mc² (ما يسمى بعيب الكتلة). وبنفس الطريقة، يتم إطلاق الطاقة أثناء تفاعلات الانشطار النووي للذرات الأثقل من الحديد.

أثناء تفاعلات الاندماج الذري، يتم إطلاق طاقة هائلة، ولكن من أجل استخراج هذه الطاقة، نحتاج أولاً إلى بذل جهد معين للتغلب على القوى التنافرية بين النوى الذرية المشحونة بشكل إيجابي (التغلب على حاجز كولوم). بعد أن تمكنا من جمع زوج من الذرات معًا إلى المسافة المطلوبة، يأتي التفاعل النووي القوي، الذي يربط النيوترونات والبروتونات. بالنسبة لكل نوع من أنواع الوقود، يختلف حاجز كولوم لبدء التفاعل، تمامًا كما تختلف درجة حرارة التفاعل المثالية:

في هذه الحالة، يبدأ تسجيل التفاعلات النووية الحرارية الأولى للذرات قبل وقت طويل من وصول متوسط ​​درجة حرارة المادة إلى هذا الحاجز بسبب حقيقة أن الطاقة الحركية للذرات تخضع لتوزيع ماكسويل:

لكن التفاعل عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا (في حدود عدة ملايين من الدرجات المئوية) يتم ببطء شديد. فلنفترض أن درجة الحرارة في المركز تصل إلى 14 مليون درجة مئوية، ولكن بقوة محددة رد فعل نووي حراريفي مثل هذه الظروف يكون 276.5 واط/م3 فقط، وتستغرق الشمس عدة مليارات من السنين لتستهلك وقودها بالكامل. مثل هذه الظروف غير مقبولة بالنسبة لمفاعل نووي حراري، لأنه عند هذا المستوى المنخفض من إطلاق الطاقة، سننفق حتماً على تسخين وضغط الوقود النووي الحراري أكثر مما سنحصل عليه من التفاعل في المقابل.

ومع زيادة درجة حرارة الوقود، تبدأ نسبة متزايدة من الذرات تمتلك طاقة تتجاوز حاجز كولوم وتزداد كفاءة التفاعل، لتصل إلى ذروتها. مع زيادة أخرى في درجة الحرارة، يبدأ معدل التفاعل في الانخفاض مرة أخرى بسبب حقيقة أن الطاقة الحركية للذرات تصبح عالية جدًا و"تتجاوز" بعضها البعض، غير قادرة على التماسك من خلال التفاعل النووي القوي.

وهكذا، تم الحصول على حل كيفية الحصول على الطاقة من تفاعل نووي حراري متحكم فيه بسرعة كبيرة، لكن تنفيذ هذه المهمة استمر لمدة نصف قرن ولم يكتمل بعد. السبب وراء ذلك يكمن في الظروف المجنونة حقًا التي كان من الضروري فيها وضع الوقود النووي الحراري - للحصول على عائد إيجابي من التفاعل، يجب أن تكون درجة حرارته عدة عشرات الملايين من الدرجات المئوية.

لا يمكن لأي جدران أن تتحمل درجة الحرارة هذه فعليًا، ولكن هذه المشكلة أدت على الفور تقريبًا إلى حلها: نظرًا لأن المادة التي يتم تسخينها إلى درجات الحرارة هذه عبارة عن بلازما ساخنة (غاز متأين بالكامل) مشحونة بشكل إيجابي، فقد تبين أن المحلول موجود على السطح - كان علينا فقط وضع مثل هذه البلازما الساخنة في مجال مغناطيسي قوي، مما سيبقي الوقود النووي الحراري على مسافة آمنة من الجدران.

التقدم نحو تنفيذها

البحث في هذا الموضوع يسير في عدة اتجاهات في وقت واحد:

1. وباستخدام مغناطيس فائق التوصيل، يحاول العلماء تقليل الطاقة المستهلكة في إشعال التفاعل والحفاظ عليه؛
2. وبمساعدة الأجيال الجديدة من الموصلات الفائقة، يزداد الحث المجال المغنطيسيداخل المفاعل، مما يسمح لك بالاحتفاظ بالبلازما بكثافات ودرجات حرارة أعلى، مما يزيد من الطاقة المحددة للمفاعلات لكل وحدة حجم؛
3. الأبحاث في مجال البلازما الساخنة والتقدم في هذا المجال تكنولوجيا الكمبيوترالسماح بتحكم أفضل في تدفقات البلازما، مما يجعل مفاعلات الاندماج أقرب إلى حدود كفاءتها النظرية؛
4. التقدم في المجال السابق يسمح لنا أيضًا بالحفاظ على البلازما في حالة مستقرة لفترة أطول، مما يزيد من كفاءة المفاعل نظرًا لأننا لا نحتاج إلى إعادة تسخين البلازما في كثير من الأحيان.

على الرغم من كل الصعوبات والمشاكل التي تكمن في الطريق إلى رد فعل نووي حراري خاضع للرقابة، فإن هذه القصة تقترب بالفعل من نهايتها. في صناعة الطاقة، من المعتاد استخدام مؤشر EROEI - عائد الطاقة على استثمار الطاقة (نسبة الطاقة المنفقة في إنتاج الوقود إلى كمية الطاقة التي نحصل عليها منه في النهاية) لحساب كفاءة استهلاك الوقود. وبينما يستمر EROEI للفحم في النمو، وصل هذا المؤشر للنفط والغاز إلى ذروته في منتصف القرن الماضي وهو الآن ينخفض ​​بشكل مطرد بسبب حقيقة أن الرواسب الجديدة من هذا الوقود تقع في أماكن يتعذر الوصول إليها بشكل متزايد وفي أي وقت مضى. أعماق أكبر:

وفي الوقت نفسه، لا يمكننا أيضًا زيادة إنتاج الفحم لأن الحصول على الطاقة منه عملية قذرة للغاية وتودي بحياة الناس في الوقت الحالي بسبب أمراض الرئة المختلفة. بطريقة أو بأخرى، نحن الآن على عتبة نهاية عصر الوقود الأحفوري - وهذه ليست مكائد دعاة حماية البيئة، ولكن الحسابات الاقتصادية المبتذلة عند النظر إلى المستقبل. وفي الوقت نفسه، نما معدل العائد على الاستثمار (EROI) للمفاعلات النووية الحرارية التجريبية، والذي ظهر أيضًا في منتصف القرن الماضي، بشكل مطرد ووصل في عام 2007 إلى الحاجز النفسي لواحد - أي أن البشرية تمكنت هذا العام لأول مرة من الحصول على المزيد من الطاقة من خلال تفاعل نووي حراري مما أنفقته على تنفيذه. وعلى الرغم من أن تنفيذ المفاعل والتجارب معه وإنتاج العرض التوضيحي الأول لمحطة الطاقة النووية الحرارية بناءً على الخبرة المكتسبة أثناء تنفيذ ITER سيستغرق الكثير من الوقت. ولم يعد هناك أي شك في أن مستقبلنا يكمن في مثل هذه المفاعلات.

نقد البحوث

الانتقاد الرئيسي لأبحاث مفاعل الاندماج هو أن الأبحاث تسير ببطء شديد. وهذا صحيح - من التجارب الأولى إلى إنتاج تفاعل نووي حراري متعادل، استغرقنا ما يصل إلى 66 عامًا. لكن جوهر المشكلة هنا هو أن تمويل مثل هذه الأبحاث لم يصل أبدًا إلى المستوى المطلوب - وإليك مثال على تقديرات إدارة أبحاث وتطوير الطاقة الأمريكية لمستوى التمويل لمشروع مفاعل الاندماج ووقت الانتهاء منه:

وكما يتبين من هذا الرسم البياني، فمن المثير للدهشة ليس فقط أننا لا نزال لا نمتلك مفاعلات نووية حرارية تجارية تنتج الكهرباء، ولكننا تمكنا من تحقيق أي إنتاج طاقة إيجابي من المفاعلات التجريبية في الوقت الحالي.

لم يتم التحقق من الإصدار الحالي للصفحة بعد

لم يتم التحقق من الإصدار الحالي للصفحة من قبل المشاركين ذوي الخبرة وقد يختلف بشكل كبير عن الإصدار الذي تم التحقق منه في 4 يونيو 2018؛ الشيكات مطلوبة.

التحكم في الاندماج النووي الحراري (التعاون الفني) - تخليق النوى الذرية الأثقل من النوى الأخف من أجل الحصول على الطاقة، والتي، على عكس الاندماج النووي الحراري المتفجر (المستخدم في الأجهزة المتفجرة النووية الحرارية)، يتم التحكم فيها بطبيعتها. يختلف الاندماج النووي الحراري المتحكم فيه عن الطاقة النووية التقليدية في أن الأخيرة تستخدم تفاعل الاضمحلال، حيث يتم إنتاج نوى أخف من النوى الثقيلة. التفاعلات النووية الرئيسية التي من المقرر استخدامها لتنفيذ الاندماج النووي الحراري المتحكم فيه سوف تستخدم الديوتيريوم (2H) والتريتيوم (3H)، وعلى المدى الطويل الهيليوم-3 (3He) والبورون-11 (11B). [ ]

ولأول مرة صاغ مشكلة الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة في الاتحاد السوفيتي واقترح بعض الحلول البناءة لها. الفيزيائي السوفيتيأوليغ لافرينتييف.

تاريخيًا، نشأت مسألة الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة على المستوى العالمي في منتصف القرن العشرين.

تتكون النوى الذرية من نوعين من النيوكليونات - البروتونات والنيوترونات. يتم تجميعهم معًا من خلال ما يسمى بالتفاعل القوي. وفي هذه الحالة، تعتمد طاقة الارتباط لكل نيوكليون مع الآخرين على إجمالي عدد النيوكليونات الموجودة في النواة، كما هو موضح في الرسم البياني. يوضح الرسم البياني أنه مع زيادة عدد النيوكليونات، تزداد طاقة الارتباط في النوى الخفيفة، بينما تنخفض في النوى الثقيلة. إذا قمت بإضافة النيوكليونات إلى النوى الخفيفة أو إزالة النيوكليونات من الذرات الثقيلة، فسيتم إطلاق هذا الاختلاف في طاقة الارتباط كالفرق بين تكلفة التفاعل والطاقة الحركية للجسيمات المتحررة. الطاقة الحركية(طاقة حركة) الجسيمات تتحول إلى حركة حرارية للذرات بعد اصطدام الجسيمات بالذرات. وهكذا تتجلى الطاقة النووية في شكل حرارة. [ ]

يسمى التغيير في تكوين النواة بالتحول النووي أو التفاعل النووي. يسمى التفاعل النووي مع زيادة عدد النيوكليونات في النواة بالتفاعل النووي الحراري أو الاندماج النووي. تفاعل نووي مع انخفاض في عدد النيوكليونات في النواة - الاضمحلال النووي أو الانشطار النووي. [ ]

لقد وجد أن خليط من نظيرين، الديوتيريوم والتريتيوم، يتطلب طاقة أقل لتفاعل الاندماج مقارنة بالطاقة المنطلقة أثناء التفاعل. ومع ذلك، على الرغم من أن الديوتيريوم-التريتيوم (D-T) هو موضوع معظم أبحاث الاندماج، إلا أنه ليس الوقود المحتمل الوحيد بأي حال من الأحوال. قد يكون إنتاج الخلائط الأخرى أسهل؛ ويمكن التحكم في تفاعلها بشكل أكثر موثوقية، أو، الأهم من ذلك، إنتاج عدد أقل من النيوترونات. ومما يثير الاهتمام بشكل خاص ما يسمى بالتفاعلات "الخالية من النيوترونات"، حيث أن الاستخدام الصناعي الناجح لهذا الوقود سيعني غياب التلوث الإشعاعي طويل المدى للمواد وتصميم المفاعل، والذي بدوره يمكن أن يكون له تأثير إيجابي. على الرأي العام وعلى التكلفة الإجمالية لتشغيل المفاعل، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف وقف التشغيل والتخلص منه. تظل المشكلة هي أن التفاعلات التخليقية باستخدام أنواع الوقود البديلة تكون أكثر صعوبة في الحفاظ عليها بسبب رد فعل D-Tيعتبر مجرد خطوة أولى ضرورية. [ ]

يمكن أن يستخدم الاندماج المتحكم فيه أنواعًا مختلفة من تفاعلات الاندماج اعتمادًا على نوع الوقود المستخدم. [ ]

التفاعل الممكن عند أدنى درجة حرارة هو الديوتيريوم + التريتيوم:

ينتج عن هذا التفاعل إنتاج كبير من الطاقة. العيوب - ارتفاع سعر التريتيوم، وإطلاق الإشعاع النيوتروني غير المرغوب فيه. [ ]

من الأصعب بكثير، في حدود ما هو ممكن، إجراء تفاعل الديوتيريوم + الهيليوم-3

شروط تحقيق ذلك أكثر تعقيدًا. الهيليوم-3 هو أيضًا نظير نادر ومكلف للغاية. لا يتم إنتاجه حاليًا على نطاق صناعي [ ] . ومع ذلك، يمكن الحصول عليه من التريتيوم، الذي يتم إنتاجه بدوره في محطات الطاقة النووية؛ أو الملغومة على القمر.

يمكن وصف تعقيد تنفيذ التفاعل النووي الحراري بالمنتج الثلاثي ن.تτ (الكثافة لكل درجة حرارة لكل وقت الاحتفاظ). وفقًا لهذه المعلمة، يكون تفاعل D-3He أكثر تعقيدًا بحوالي 100 مرة من تفاعل D-T.

التفاعلات بين نواة الديوتيريوم ممكنة أيضًا، وهي أصعب قليلًا من التفاعلات التي تتضمن الهيليوم-3:

تتم هذه التفاعلات ببطء بالتوازي مع تفاعل الديوتيريوم + الهيليوم -3، ومن المرجح أن يتفاعل التريتيوم والهيليوم -3 المتكون خلالهما على الفور مع الديوتيريوم.

بعض أنواع ردود الفعل الأخرى ممكنة أيضًا. يعتمد اختيار الوقود على العديد من العوامل - توفره ورخص ثمنه، وإنتاج الطاقة، وسهولة تحقيق الظروف المطلوبة لتفاعل الاندماج النووي الحراري (درجة الحرارة في المقام الأول)، وخصائص التصميم الضرورية للمفاعل، وما إلى ذلك.

والأكثر واعدة هي ما يسمى بالتفاعلات "الخالية من النيوترونات"، حيث أن تدفق النيوترونات الناتج عن الاندماج النووي الحراري (على سبيل المثال، في تفاعل الديوتيريوم والتريتيوم) يحمل جزءًا كبيرًا من الطاقة ويولد نشاطًا إشعاعيًا مستحثًا في تصميم المفاعل. . يعد تفاعل الديوتيريوم + الهيليوم -3 واعدًا بسبب عدم وجود عائد نيوتروني (لكن تفاعل الديوتيريوم-الديوتيريوم ينتج التريتيوم، الذي يمكن أن يتفاعل مع الديوتيريوم؛ ونتيجة لذلك، لا يوجد مفاعل نووي حراري "خالٍ من النيوترونات").

هناك خطتان أساسيتان لتنفيذ الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة، ويجري حاليًا تطويرهما (2017):

النوع الأول من المفاعلات النووية الحرارية تم تطويره ودراسته بشكل أفضل من النوع الثاني.

يعتبر مفاعل الاندماج أكثر أمانًا من المفاعل النووي من حيث الإشعاع. بادئ ذي بدء، كمية المواد المشعة الموجودة فيه صغيرة نسبيا. كما أن الطاقة التي يمكن إطلاقها نتيجة لأي حادث تكون قليلة أيضًا ولا يمكن أن تؤدي إلى تدمير المفاعل. وفي الوقت نفسه، يحتوي تصميم المفاعل على عدة حواجز طبيعية تمنع انتشار المواد المشعة. على سبيل المثال، يجب إغلاق الغرفة المفرغة وغطاء ناظم البرد، وإلا فلن يتمكن المفاعل من العمل. ومع ذلك، أثناء تصميم ITER، تم إيلاء اهتمام كبير للسلامة الإشعاعية أثناء التشغيل العادي وأثناء الحوادث المحتملة.

من أجل منع انتشار التريتيوم والغبار إذا خرجوا من الغرفة المفرغة ومنظم التبريد، يلزم وجود نظام تهوية خاص، والذي يجب أن يحافظ على ضغط منخفض في مبنى المفاعل. ولذلك لن يكون هناك تسرب للهواء من المبنى إلا من خلال مرشحات التهوية.

عند بناء مفاعل مثل ITER، سيتم استخدام المواد التي تم اختبارها بالفعل في الطاقة النووية حيثما أمكن ذلك. ونتيجة لهذا، فإن النشاط الإشعاعي المستحث سيكون صغيرا نسبيا. على وجه الخصوص، حتى في حالة فشل أنظمة التبريد، سيكون الحمل الحراري الطبيعي كافيًا لتبريد حجرة التفريغ والعناصر الهيكلية الأخرى. وهو طارد للحرارة، مما يوفر القليل من الطاقة للمفاعل. التفاعل مع 7 Li هو تفاعل ماص للحرارة، ولكنه لا يستهلك النيوترونات. على الأقل بعض تفاعلات 7 Li ضرورية لاستبدال النيوترونات المفقودة في التفاعلات بعناصر أخرى. تستخدم معظم تصميمات المفاعلات خلائط طبيعية من نظائر الليثيوم.

هناك، من الناحية النظرية، أنواع وقود بديلة لا تحتوي على هذه العيوب. لكن استخدامها يعوقه قيود مادية أساسية. للحصول على كمية كافية من الطاقة من تفاعل الاندماج، من الضروري الحفاظ على بلازما كثيفة بدرجة كافية عند درجة حرارة الاندماج (10 8 كلفن) لفترة معينة. يتم وصف هذا الجانب الأساسي من الاندماج بواسطة منتج كثافة البلازما نلمدة محتوى البلازما الساخنة τ، وهو مطلوب للوصول إلى نقطة التوازن. عمل نτ يعتمد على نوع الوقود وهو دالة لدرجة حرارة البلازما. من بين جميع أنواع الوقود، يتطلب خليط الديوتيريوم والتريتيوم أقل قيمة نτ على الأقل من حيث الحجم، وأدنى درجة حرارة للتفاعل بما لا يقل عن 5 مرات. وبالتالي، يعد تفاعل D-T خطوة أولى ضرورية، لكن استخدام أنواع الوقود الأخرى يظل هدفًا بحثيًا مهمًا. [ ]

يعتبر العديد من الباحثين طاقة الاندماج مصدرًا "طبيعيًا" للطاقة على المدى الطويل. يستشهد مؤيدو الاستخدام التجاري لمفاعلات الاندماج لإنتاج الكهرباء بالحجج التالية لصالحهم:

ويشير المنتقدون إلى أن فعالية تكلفة الاندماج النووي في توليد الكهرباء للأغراض العامة تظل مسألة مفتوحة. وتشير نفس الدراسة، التي أجراها مكتب العلوم والتكنولوجيا التابع للبرلمان البريطاني، إلى أن تكلفة توليد الكهرباء باستخدام مفاعل الاندماج النووي من المرجح أن تكون عند الطرف الأعلى من طيف تكلفة مصادر الطاقة التقليدية. وسيعتمد الكثير على التكنولوجيا المتاحة في المستقبل، وهيكل السوق والتنظيم. تعتمد تكلفة الكهرباء بشكل مباشر على كفاءة الاستخدام ومدة التشغيل وتكلفة التخلص من المفاعل.

على الرغم من التفاؤل واسع النطاق (منذ الأبحاث المبكرة في الخمسينيات من القرن العشرين)، لم يتم التغلب بعد على عقبات كبيرة بين الفهم الحالي لعمليات الاندماج النووي والقدرات التكنولوجية والاستخدام العملي للاندماج النووي. وليس من الواضح حتى مدى فعالية إنتاج الكهرباء باستخدام الاندماج النووي من حيث التكلفة. على الرغم من التقدم المستمر في الأبحاث، إلا أن الباحثين يواجهون باستمرار مشاكل جديدة. على سبيل المثال، يتمثل التحدي في تطوير مادة يمكنها تحمل القصف النيوتروني، والذي تشير التقديرات إلى أنه أشد 100 مرة من المفاعلات النووية التقليدية. وتتفاقم خطورة المشكلة بسبب حقيقة أن المقطع العرضي لتفاعل النيوترونات مع النوى مع زيادة الطاقة يتوقف عن الاعتماد على عدد البروتونات والنيوترونات ويميل إلى المقطع العرضي للنواة الذرية - وللنيوترونات الطاقة 14 MeV ببساطة لا يوجد نظير ذو مقطع عرضي صغير بما فيه الكفاية للتفاعل. وهذا يتطلب استبدالًا متكررًا للغاية لتصميمات المفاعلات D-T وD-D ويقلل من ربحيتها كثيرًا بحيث يتبين أن تكلفة تصميمات المفاعلات المصنوعة من مواد حديثة لهذين النوعين أكثر من تكلفة الطاقة المنتجة بهما. هناك ثلاثة أنواع من الحلول الممكنة [ ] :

تأثيرات جانبية ردود الفعل د-د(3%) خلال تركيب د- أنه يعقد تصنيع تصميمات فعالة من حيث التكلفة للمفاعل، على الرغم من أنها ممكنة على المستوى التكنولوجي الحديث.

وينبغي أن تكون الخطوة التالية في البحث هي (المفاعل التجريبي النووي الحراري الدولي ITER). من المخطط في هذا المفاعل دراسة سلوك البلازما ذات درجة الحرارة المرتفعة (البلازما المشتعلة ذات س~ 30) والمواد الإنشائية لمفاعل صناعي.

ستكون المرحلة الأخيرة من البحث عبارة عن عرض تجريبي: نموذج أولي لمفاعل صناعي يتم فيه الإشعال وإظهار التطبيق العملي للمواد الجديدة. التوقعات الأكثر تفاؤلاً لاستكمال المرحلة التجريبية: 30 عامًا. بعد العرض التوضيحي (DEMO)، يمكن البدء في تصميم وبناء المفاعلات النووية الحرارية التجارية (التي تسمى تقليديًا TNPP - محطات الطاقة النووية الحرارية). قد يبدأ بناء محطة الطاقة النووية في موعد لا يتجاوز عام 2045.

في المجموع، تم بناء حوالي 300 توكاماك في العالم. أكبرها مذكورة أدناه.

الفيزياء، على الرغم من أنها نوع من العلوم المتعلقة بالعالم المحيط، إلا أنها لا تزال بعيدة تمامًا عن الحياة اليومية، أي أنها بعيدة عن اهتمامات العالم. الناس العاديين. يركز الأشخاص غير العاديين على الفيزياء. إذا نظرت إلى السيرة الذاتية لـ "الفيزيائيين العظماء" الذين كانوا منغمسين تمامًا في مشاكل الفضاء، يمكنك أن ترى أن بعضهم كانوا عملاء للأطباء النفسيين، بينما تجنب آخرون ذلك، على الرغم من أن لديهم سلوكًا غريبًا. ومع ذلك، فإن هؤلاء "الفيزيائيين العظماء" هم في الأساس منظرون، وعلماء كونيات، وعلماء رياضيات، وتعريفهم العام هو . هناك مجتمع كبير من الفيزيائيين وعقليا تماما الناس العاديينلكن هؤلاء كسالى، عشاق «الحياة الحلوة»، اعتادوا على «قطع» أموال الحكومة، ويعدون الدولة بفوائد متنوعة «منتزعة من الطبيعة» من خلال التأثير عليها بمختلف النظريات المجنونة التي سبق أن وضعها «علماء بريطانيون».
هناك العديد من مجالات نشاط هؤلاء الفيزيائيين التي وصلت إلى طريق مسدود الشعور الجسديولكن مبارك بالمعنى النقدي. أحد مجالات النشاط هذه لـ "قواطع" الميزانية هو إنشاء مفاعل نووي حراري.
بالطبع، بدأ تاريخ إنشاء المفاعلات النووية الحرارية في شكل مشاريع علمية بالكامل.
وفي عام 1949، تم اختبار القنبلة الذرية السوفييتية، وهي نسخة من القنبلة الأمريكية. لكن الاستراتيجيين السوفييت أرادوا شيئًا أقوى وأكثر فظاعة لأعدائهم.
في بداية القرن العشرين، قرر المنظرون أن المصدر الأكثر فعالية للطاقة هو التفاعلات النووية الحرارية، والتي، في رأيهم، توفر طاقة النجوم، بما في ذلك الشمس. . تحدث التفاعلات النووية الحرارية فقط في التوهجات الشمسية، أثناء انفجارات النجوم الجديدة والمستعرات الأعظم.
كان ساخاروف يؤمن بالاندماج النووي الحراري وكان يعمل على ما يعتقد أنه قنبلة نووية حرارية. في الواقع، قام بصنع قنبلة ذرية أكثر قوة عن طريق إضافة التريتيوم وديوتيرايد الليثيوم 6 إلى تركيبتها...
لم ينجح الاندماج النووي الحراري، لكن قوة انفجار قنبلة ساخاروف أرضت الاستراتيجيين العسكريين والفيزيائيين. تم إعلان القنبلة الهيدروجين، وبدأت النسخة التي كانت نووية حرارية في الانتشار كأسطورة. سر! من سيتحقق!
آمن العديد من علماء الفيزياء بإمكانية حدوث اندماج نووي حراري غير منضبط على الأرض، لذلك حظيت فكرة توليد الطاقة باستخدام تفاعل نووي حراري متحكم به بالدعاية في الصحافة والدعم المالي.
قرر ساخاروف أنه من الممكن تفجير قنابل هيدروجينية صغيرة في مخبأ متين تحت الأرض والاستفادة من الحرارة المتولدة. ومن المفهوم أنه لم يكن مهتمًا بحقيقة أن الحصول على التريتيوم لن يعوض الطاقة التي تم الحصول عليها بهذه الطريقة بقوة واقتصاديًا.
في الوقت نفسه، اقترح الرقيب أوليغ لافرينتييف في رسالة إلى ستالين الاحتفاظ بالبلازما داخل الغرفة كهروستاتيكيًا. ناقش بيريا رسالة لافرينتييف مع تام وسخاروف، اللذين ذكرا أنه من الأفضل استخدام المجال المغناطيسي لحصر البلازما.
قام كورشاتوف بتعيين أرتسيموفيتش لرئاسة العمل على الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة.

اكتشف أرتسيموفيتش ما يعرفه كل من رأى البرق على الإطلاق، وهو أنه اكتشف أن التصريفات القوية للتيار في الديوتيريوم تخلق خيطًا رفيعًا. كان الحبل ينبض وينضغط وينفتح... على الحبل، المعين كما لو كان علميًا، قرصة، مع الموجة الثانية من التيار، ظهرت العقد، وكانت مصادر النيوترونات. () انبعثت أيضًا أشعة سينية قوية.

بعد ذلك يأتي تاريخ التوكاماك. من الخمسينيات من القرن العشرين إلى بداية الألفية الثالثة، تم تصنيع ما يقرب من ثلاثين منهم. زاد حجمها، بطبيعة الحال، وتكلفتها على أمل أن ينتج التوكاماك التالي في النهاية ليس فقط النيوترونات، ولكن أيضًا الهيليوم، أي أن الاندماج النووي الحراري سيتحقق أخيرًا... ولكن دون جدوى. لم يتم اكتشاف الهيليوم مطلقًا في التجارب الموصوفة، أي أنه لم يكن هناك تفاعل نووي حراري.

إذا كان لا يزال من الممكن اعتبار التجارب على التوكاماك علمية قبل عام 1961، فإن "التجارب" اللاحقة تعتبر إهدارًا خالصًا للميزانية.
في عام 1961، الأكاديمي ب. أخبر كونستانتينوف أرتسيموفيتش في مناشدة "لماذا لن يتم بناء محطة للطاقة النووية الحرارية سواء في عام 1980 أو في عام 2000" أن أنشطته ليست عديمة الفائدة فحسب، بل ضارة أيضًا.
وأوضح كونستانتينوف أن تفاعل الديوتيريوم مع الديوتيريوم لا يمكن استبداله بتفاعل الديوتيريوم مع التريتيوم. التريتيوم غير موجود في الطبيعة، ويجب إنتاجه أولاً في المفاعلات النووية. أثناء تفاعل الديوتيريوم مع التريتيوم، تحمل النيوترونات السريعة الطاقة بسرعة، وتدمر كل شيء في طريقها، ولا يمكن لأي حجرة أن تصمد أمام ذلك، وسيتم تدميرها بسرعة، وسوف تخترق البلازما، التي لا يمكن جعلها مستقرة، الجدران وتلوثها. بيئة، في المقام الأول مئات الكيلوغرامات من التريتيوم المشع.

بالطبع، لم يستمع أحد إلى كونستانتينوف وآخرين مثله. لقد تشكلت مافيا دولية ضخمة من "المخفضين للميزانية" حول "الاندماج النووي الحراري"، وقد بنوا، ويبنون، وسوف يستمرون في بناء "مفاعلاتهم النووية الحرارية" التي لا قيمة لها. من الناحية النظرية، يمكن للمشرعين إيقافهم، لكن المشرعين يمكنهم القيام بشيء ما، وبعد ذلك من الناحية النظرية، فقط في بلدانهم، والمافيا العلمية دولية. ولكن حتى في بعض البلدان، يأتي السياسيون إلى السلطة فقط لكسب المال، وبالتالي فإن المافيا تشتريهم بسهولة ولا توجد نقطة مضيئة في هذا، كما هو الحال في العديد من مجالات النشاط "العلمي" الأخرى.

مشاهدات المشاركة: 1,751

يعد الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة عملية فيزيائية مثيرة للاهتمام يمكنها (لا تزال من الناحية النظرية) إنقاذ العالم من الاعتماد على مصادر الوقود الأحفوري في الطاقة. تعتمد العملية على تخليق النوى الذرية من النوى الأخف إلى الأثقل مع إطلاق الطاقة. وعلى النقيض من الاستخدام الآخر للذرة، أي إطلاق الطاقة منها في المفاعلات النووية أثناء اضمحلالها، فإن الاندماج على الورق لن يترك أي منتجات ثانوية مشعة تقريبًا.

محاكاة مفاعلات الاندماج العملية النوويةداخل الشمس، حيث يتم تحطيم الذرات الخفيفة معًا وتحويلها إلى ذرات أثقل، مما يؤدي إلى إطلاق كميات هائلة من الطاقة على طول الطريق. على الشمس، هذه العملية مدفوعة بالجاذبية. على الأرض، يحاول المهندسون إعادة تهيئة الظروف اللازمة للاندماج النووي باستخدام درجات حرارة عالية للغاية - في حدود 150 مليون درجة - لكنهم يواجهون صعوبة في احتواء البلازما اللازمة لدمج الذرات.

أحد الحلول التي تم بناؤها يتمثل في ITER، المعروف سابقًا باسم المفاعل التجريبي النووي الحراري الدولي، والذي كان قيد الإنشاء منذ عام 2010 في كاراداتشيس، فرنسا. تم تأجيل التجارب الأولى، التي كان من المقرر إجراؤها في عام 2018، إلى عام 2025.

قبل بضعة أيام فقط أبلغنا أن الأول