Ջերմամիջուկային կառավարվող սինթեզ

Դետերում-տրիտիումի գխագիրը

Ջերմամիջուկային կառավարվող սինթեզ ատոմային թեթև միջուկների միացման կառավարվող պրոցես, որն ընթանում է բարձր ջերմաստիճաններում և ուղեկցվում էներգիայի անջատումով։

Միջավայրի պայմաններ

Ջերմամիջուկային կառավարվող սինթեզի իրականացման համար առավել նպատակահարմար են ջրածնի ծանր իզոտոպների՝ դեյտերիումի (²Н) և տրիտիումի (³Н) միջև բավական մեծ արագությամբ ընթացող ռեակցիաները․

• ²H + ²H→³He+ n + 3,28 Մէվ,
• ²Н+²Н → ³Н + p + 4,03 Մէվ,
• ²H+³H → ⁴He+ n+ 17,6 Մէվ,

որոնցից առանձնապես կարևոր է վերջինը, քանի որ ընթանում է համեմատաբար ցածր ջերմաստիճաններում և ուղեկցվում զգալի էներգաանջատումով։ Տրիտիումը ռադիոակտիվ է (կիսատրոհման պարբերությունը 12,5 տարի է) և բնության մեջ չի հանդիպում։ Հետևաբար, ենթադրվող ջերմամիջուկային ռեակտորի աշխատանքի ապահովման համար պետք է նախատեսվի տրիտիումի վերարտադրության հնարավորություն, եթե այդ ռեակտորում որպես միջուկային վառելիք օգտագործվելու է տրիտիում։ Այդ նպատակով դիտարկվող համակարգի աշխատանքային գոտին կարող է շրջապատվել լիթիումի թեթև իզոտոպի շերտով, որում կընթանա վերարտադրության հետևյալ պրոցեսը․

• ⁶Li+n →³H+⁴He։

Հավանականություն

Ջերմամիջուկային ռեակցիաների հավանականությունը (էֆեկտիվ չայնական կտրվածքը), որն արագ աճում է ջերմաստիճանի հետ, նույնիսկ օպտիմալ պայմաններում անհամեմատ փոքր է լինում ատոմային բախումների էֆեկտիվ կտրվածքից։ Այդ պատճառով սինթեզի ռեակցիաները պետք է կատարվեն բարձր ջերմաստիճանի լրիվ իոնացած պլազմայում, որտեղ ատոմների իոնացման ու գրգռման պրոցեսները բացակայում են, և դեյտոն-դեյտոնային կամ դեյտոն-տրիտոնային (դեյտոնը դեյտերիումի միջուկն է, տրիտոնը՝ տրիտիումի) բախումները վաղ թե ուշ ավարտվում են միջուկային սինթեզով։

Որպեսզի T ջերմաստիճանի պլազմայում ջերմամիջուկային կառավարվող սինթեզը ունենա ոչ թե պատահական բնույթ, այլ ընթանա կարգավորված կերպով, այսինքն՝ որպեսզի անջատվող օգտակար էներգիան ավելի մեծ լինի, քան ծախսվողը, անհրաժեշտ է, որ պլազմայում միջուկների խտությունը (ո) մեծ լինի և որ պլազման այդ խիտ ու տաք վիճակում մնա բավական երկար ժամանակ (у)։

Ջերմամիջուկային կառավարվող սինթեզի իրականացման համար անհրաժեշտ այս պայմանն արտահայտվում է, այսպես կոչված, է Ռուսոնի չափանիշով․ n․t>f(T), որտեղ f (Т)-է ռեակտորի օգտակար գործողության գործակցի տրված արժեքի և վառելիքի ընտրված տեսակի դեպքում ջերմաստիճանի խիստ որոշակի ֆունկցիա է։ Այսպիսով, ջերմամիջուկային ռեակտորի կառուցման համար նախ պետք է ստանալ հարյուրավոր միլիոնների հասնող ջերմաստիճան ունեցող պլազմա, երկրորդ,՝ կարողանալ պլազմային կոնֆիգուրացիաները պահպանել այնքան ժամանակ, որը բավարար լինի միջուկային ռեակցիաների ընթացքի համար։ Ջերմամիջուկային կառավարվող սինթեզի հետազոտությունները տարվում են երկու ուղղությամբ մի կողմից՝ քվազիստացիոնար համակարգերի մշակում, մյուս կողմից՝ խիստ արագագործ սարքերի ստեղծում։

Հետազոտություններ

Հետազոտությունների առաջին ուղղությունը ենթադրում է մագնիսական ջերմամեկուսացումով Ջերմամիջուկային կառավարվող սինթեզի ստացում։ Այդ նպատակով պլազման տաքացվում է իր միջով անցնող հուժկու էլեկտրական հոսանքների, պլազմայի ադիաբատ սեղմման կամ գերբարձր հաճախականությունների էլեկտրամագնիսական դաշտերի օգնությամբ։ Մագնիսական ջերմամեկուսացման սկզբունքը, որի հիմքում ընկած է որոշակի կոնֆիգուրացիայի արտաքին ուժեղ մագնիսական դաշտի կիրառումը, թույլ է տալիս տաքացած պլազման պահել ռեակտորի գործող գոտում առանց կործանարար էներգիական կորուստների։ Պլազմայի լիցքավորված մասնիկները չեն կարողանում ազատորեն տեղափոխվել մագնիսական դաշտի ուժագծերին ուղղահայաց ուղղություններով, որի հետևանքով խիստ նվազում են դիֆուզիան և ջերմահաղորդականությունը։

Մագնիսական ջերմամեկուսացումով ջերմամիջուկային կառավարվող սինթեզի ստացման սարքերն են․

• բաց (կամ հայելային) մագնիսական թակարդները,
• իմպուլսային գործողության տեղակայանքները (Z-պինչ և ©-պինչ),
• փակ մագնիսական համակարգերը, ինչպիսիք են ստելարատորները և հանրահայտ տոկամակները։

Խորհրդային ֆիզիկոսներ

Խորհրդային ֆիզիկոսների ստեղծած տորոիդային տոկամակներում ընթացող երևույթներն արդեն լրիվ ուսումնասիրվել են և հաղթահարվել սկզբունքային բոլոր դժվարությունները։ Առաջիկա տարիներին ԽՍՀՄ-ում և այլ երկրներում նախատեսվում է կառուցել մեծ ծավալի տոկամակներ, որոնք պետք է ունենան դրական էներգիական հաշվեկշիռ և դառնան ապագայի ավելի հզոր ջերմամիջուկային ռեակտորների նախատիպ։

Հետազոտությունների երկրորդ ուղղության՝ Ջերմամիջուկային կառավարվող սինթեզի իներցիալ պահպանումով արագագործ համակարգերի դեպքում անհրաժեշտ ջերմաստիճանի պլազմա ստացվում է, երբ ջերմամիջուկային վառելիքի (դեյտերիումի և տրիտիումի խառնուրդ) 1-2 Սմ տրամագծով թիրախները ռմբակոծվում են լազերային ճառագայթների, արագացված էլեկտրոնների կամ ծանր իոնների կիզակետված փնջերով։ Այդ փնջերի մասնիկների W էներգիան ծախսվում է թիրախը սեղմելու և խտությունը 103—104 անգամ մեծացնելու, ինչպես նաև միջուկների էներգիան ավելացնելու համար։ Եթե փնջերն ունեն կարճատև գործողություն (10⁻¹⁰—10⁻⁹ վրկ) և համապատասխան «ձևավորում», ապա իներցիայի հետևանքով թիրախի միջուկները չեն հասցնում ցրվել։ Արգելակմանtճառագայթման և այլ կորուստները չնչին են, եթե T >4 • 10⁷ K։ Ի տարբերություն ջրածնային ռումբի, այս սկզբունքով աշխատող ջերմամիջուկային ռեակտորներում Ջերմամիջուկային կառավարվող սինթեզ իրականացվում է թիրախների՝ միմյանց հաջորդող անվտանգ միկրոպայթյունների ձևով։

Հաշվարկներ

Հաշվարկները ցույց են տվել, որ տեղակայանքին մատուցվող էներգիան պետք է հակադարձ համեմատական լինի սարքի օգտակար գործողության գործակցի խորանարդին և թիրախի սեղմման գործակցի քառակուսուն։ Ռեակտորի դրական հաշվեկշիռն ապահովվում է W^106£ արժեքի դեպքում, որն ընկած է տեխնիկապես հասանելի արժեքների սահմանում։

Ներկայումս ջերմամիջուկային կառավարվող սինթեզի ֆիզիկական բնույթի դժվարությունները սկզբունքորեն հաղթահարված են և ուսումնասիրվում են հիմնականում ռեակտորների կառուցման հետ կապված ինժեներատեխնիկական խնդիրները, ինչպես օրինակ, ծնված միջուկների և նեյտրոնների էներգիայի լավագույն օգտագործման, ճառագայթային անվտանգության և այլ հարցեր։ Մոտակա տարիներին (1980- ական թվականների ընթացքում) նախատեսվում է ստեղծել մի քանի տասնյակ Մեգա վատ հզորության տարբեր ռեակտորներ։

Նշանակություն

Ջերմամիջուկային կառավարվող սինթեզի բնագավառում կատարվող հետազոտությունների հսկայական նշանակությունը պայմանավորված է մի շարք պատճառներով։ Շրջակա միջավայրի անընդհատ աճող աղտոտումը հրամայական պահանջ է առաջացրել մոլորակի արդ․ արտադրությունն իրականացնել փակ ցիկլով, որպեսզի թափոնները հասնեն նվազագույնի։ Սակայն արդյունաբերության նման վերակառուցումն անխուսափելիորեն կապված է էներգասպառման կտրուկ աճի հետ։

Մինչդեռ հանքային վառելիքի պաշարները սահմանափակ են և էներգետիկայի զարգացման արդի տեմպերի պահպանման դեպքում առաջիկա տասնամյակների (նավթ, այրվող գազեր) կամ հարյուրամյակների (ածուխ) ընթացքում կսպառվեն։ Իհարկե, լավագույն տարբերակը կլինի արեգակնային էներգիայի օգտագործումը, բայց մեզ հասնող ճառագայթման հզորության փոքր խտությունը խիստ դժվարացնում է այդ խնդրի արմատական լուծումը։ էներգետիկայի անցումը տրոհման միջուկային ռեակտորների (գլոբալ մասշտաբով) կապված է ռադիոակտիվ մնացուկների վերացման բարդ պրոբլեմի հետ։

Մինչդեռ ջերմամիջուկային կառավարվող սինթեզի տեղակայանքներում, ըստ եղած տվյալների, ռադիոակտիվ վտանգը պետք է երեք կարգի մեծությամբ ավելի փոքր լինի, քան տրոհման ռեակտորներում։ Իսկ եթե խոսքը վերաբերի հեռավոր կանխատեսումներին, ապա լավագույն լուծումը, թերևս, հարկավոր է փնտրել Ջերմամիջուկային կառավարվող սինթեզի և արեգակնային էներգետիկայի զուգակցության մեջ։

Տես նաև

• Ջերմամիջուկային ռեակցիաներ
• Պինչ էֆեկտ

Գրականություն

• Clery, Daniel (2014). A Piece of the Sun: The Quest for Fusion Energy. The Overlook Press. ISBN 978-1-4683-1041-2.
• Арцимович Л- А․, Управляемые термоядерные реакции, М․, 1963; Лазеры и термоядерная проблема, под ред․ Б․ Б․ Кадомцева, М․, 1974․
• Е.П. Велихов. «Управляемый термоядерный синтез выходит на финишную прямую» (PDF). Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований. Российский научный центр «Курчатовский институт». Արխիվացված է օրիգինալից (PDF) 2012 թ․ փետրվարի 5-ին. Վերցված է 2007 թ․ օգոստոսի 8-ին.
• К. Ллуэллин-Смит. На пути к термоядерной энергетике. Материалы лекции, прочитанной 17 мая 2009 года в ФИАНе.
• Грандиозный эксперимент по термоядерному синтезу проведут в США Արխիվացված 2012-05-18 Wayback Machine, 31.03.2009. Статья про NIF.
• Семенов И. Энергетика будущего: управляемый термоядерный синтез. Что такое термоядерный реактор ИТЭР и почему так важно его создание? Научно-популярная лекция, прочитанная в 2008 году в ФИАНе.

Արտաքին հղումներ

• Fusion as an Energy Source
• U.S. Fusion Energy Science Program
• EURATOM/UKAEA Fusion Association Արխիվացված 2021-03-19 Wayback Machine
• ITER
• EUROfusion
• A Central Site for Fusion Energy Links Արխիվացված 2021-05-18 Wayback Machine
• Institute for Plasma Focus Studies Արխիվացված 2016-01-13 Wayback Machine
• Montage of 60 years of fusion research history

Այս հոդվածի կամ նրա բաժնի որոշակի հատվածի սկզբնական կամ ներկայիս տարբերակը վերցված է Քրիեյթիվ Քոմմոնս Նշում–Համանման տարածում 3.0 (Creative Commons BY-SA 3.0) ազատ թույլատրագրով թողարկված Հայկական սովետական հանրագիտարանից։