Термоядрени реактори

1.  

2.  Процес на сливане на леки ядра, осъществен в резултат на високата
температура на средата, се нарича термоядрен синтез.
 Термоядрени реакции протичат във вътрешността на Слънцето и
другите звезди и са източник на излъчваната от тях енергия.
 В зависимост от начина за достигане на високите температури
термоядреният синтез бива неуправляем и управляем.
 В ядрото на слънцето огромното гравитационно налягане позволява
това да става при температури около 10 милиона градуса.
 При много по-ниски налягания (10 милиарда пъти по-ниски
отколкото в слънцето), които може да създадем на земята, се изискват
температури над 100 милиона градуса, за да имаме интересната за нас
скорост на генериране на термоядрена енергия.
 Газ, нагрят до такива температури, се превръща в "плазма", в която
електроните са напълно отделени от атомните ядра.

4.  Устройствата, в които термоядреният синтез протича бавно, като се
контролира и управлява, се наричат термоядрени реактори.
 За протичане на управляем термоядрен процес трябва да са изпълнени следните
условия:
1. Създаване на високотемпературна плазма.
2. Задържане на плазмата далеч от стените на нейния
контейнер, за да се осъществи синтез на леките ядра.
3. Поддържане на голяма плътност на плазмата частици/ сm3
,
за да се увеличи броят на ядрата, участващи в синтеза.
 Задържането на високотемпературна и висококонцентрирана плазма се оказва
трудна задача тъй като тя е крайно нестабилна и се разлита за части от
секундата.
 Задържането и не може да се осъществи в нито един от известните
материали, понеже те биха се изпарили, а самата плазма при допира с тях би
понижила температурата си.
 Затовя задържането и се постига чрез поставяне на плазмата в тороидален
"кафез", направен от силни магнитни полета, които не позволяват на
електрически заредените частици на плазмата да се изплъзват.

5.  За преспективна засега се приема затворената система от типа “Токамак”.
 Първият термоядрен реактор е изобретен през 1950 година от Игор Там и
Андрей Сакаров. Той е бил наречен тороидална магнитана камера Токамак (от
руското "тороидальная камера в магнитных катушках").
 Особеното при токамака са магнитното поле и начинът, по който то се
получава. Магнитното поле се създава от намотки, които обхващат камерата
като халки, нанизани на пръстен, както и от големи намотки, успоредни на
равнината на тора.
 Във всяка точка от вакуумната
камера магнитното поле има две
компоненти: едната тороидален,
насочена по оста на самия тор, а
другата, наречена полоидална, е
разположена в равнина,
перпендикулярна на първата.
 Тороидалната компонента се създава
от намотките. През плазмата в този
пояс протича мощен ток (няколко
милиона ампера), индуциран от
големите намотки. Комбинацията от
тороидално и полоидално полета
формира спираловидни магнитни
силови линии, които обвиват тора.

7.  При типичен експеримент с токамак първата операция е да се създаде
тороидално магнитно поле.
 За тази цел по съответните намотки протича ток. След това във
вакуумния тороидален пояс инжектират определено количество
деутерий (или смес от деутерий и тритий при най-новите
експерименти).
 После успоредно на тороидалното магнитно поле в плазмата се прилага
електрично поле. То се създава чрез индукция от променливия ток,
пуснат по успоредните на тора намотки.
 Получава се електричен разряд, който превръща деутериевия газ в
плазма – смес от положителни йони и електрони. Електричното поле
ускорява електроните, което поражда тороидален ток през плазмата.
Този "плазмен ток" индуцира полоидално магнитно поле и увеличава чрез
ударите на електроните температурата на плазмата.
 След като плазменият ток се стабилизира, се загрява допълнително.
Тази последователност от операции трае само няколко секунди, освен
ако намотките не са свръхпроводящи, в който случай протичащият през
тях ток не ги загрява.

9.  Най-големите в света токамаци са следните:
JET (Joint European Torus), Великобритания
DIII-D, САЩ
ASDEX Upgrade, Германия
JT60-U, Япония
Tore Supra, Франция
Снимка отвън на JET.ASDEX Upgrade, Германия

11.  Други инженерни конструкции, варианти на Токамак - например "стелатор"
използват само магнитни полета. Съществуват и разновидности на Токамак,
наречени сферични Токамаци или сфематори, в които се използва основно
магнитно поле във формата на сфера.
 ITER е международен проект за проучване и разработка, който цели да
демонстрира научната и техническата възможност да се постигне управляем
термоядрен синтез.
 В проекта участват Европейския съюз, Япония, Китай, Индия, Корея, Русия и
САЩ. ITER ще бъде конструиран в Европа, в гр. Кадараш - Южна Франция.
 От използванията в ITER Токамак се очаква да произвежда електрическа
енергия с мощност между 100 и 500 MW. Като тази полезна енергия е
разлика между произвежданата в самият ITER и подаваната електрическа
енергия за работа на самият ITER и неговият Токамак.
 Тоест термоядреният реактор ще произвежда повече електричество,
отколкото консумира за работата си.

12. Как ще изглежда ITER 2019г.

13.  В бъдещите токамаци и термоядрени реактори се
планира използване на друга реакция на управляем
термоядрен синтез - тази на сливане на хелий-3 и
деутерий.
 Предимството и е изключително ниското равнище на
неутронен поток ( стените на камерата не се разрушава),
както и пълната липса на каквато и да е слаба
радиоактивност.
 Недостатъка на тази управляема термоядрена реакция е
нуждата от десетократно по-висока температура за
започване на реакцията - около един милиард градуса,
което обаче в момента се счита за обикновен инженерен
проблем.

14.  Друго предложение за осъществяване на управляем
термоядрен синтез е използването на мощни лазерни
импулси.
 Излъчванията на няколко десетки импулсни лазери се
фокусират върху капсули пълни със замръзнала смес на
деутерий и тритий.
 Част от капсулата се свива и йоните на деутерия и трития
увеличават енергията си до стойности, достатъчни за
протичане на термоядрен синтез.
 Предвижда се отделената енергия да превишава около 100
пъти енергията, отделена от лазерите.
 Ако стените на съда издържат взривната вълна, енергията й
може да се използва.

16.  Запасите от термоядрено гориво на Земята са огромни и
неизчерпаеми. В земната хидросфера се съдържат ~25 000
милиарда тона деутерий.
 Термоядреното гориво има по-ниска цена от обикновеното и
ядреното.
 Не е необходимо масата на горивото да е равна на
критичната, което изключва опасността от взривно протичане
на реакцията.
 При работа не се отделят радиоактивни отпадъци – от
екологична гледна точка този начин за придобиване на
енергия е за предпочитане.
 Липсват парникови и отровни емисии.