Una previsione incredibilmente ottimistica per il prossimo futuro è fatta dal portale" Buone notizie Russia". Inoltre, riguarda non solo il nostro Paese, ma ugualmente il resto del mondo:
Le rivoluzioni sono socio-politiche (socialiste, borghesi, di colore) e ci sono scientifiche e tecniche (NTR). La rivoluzione energetica è una sorta di rivoluzione scientifica e tecnologica.
Rivoluzione (lat. revolutio) è una rivoluzione, una trasformazione: un cambiamento radicale, radicale, profondo, qualitativo, un salto di sviluppo.
Qual è la rivoluzione energetica sulla soglia di cui si trova il nostro mondo?
Quale rivoluzione nel campo dell'energia ci aspetta? Qual è il cambiamento qualitativo? Quale sarà il salto di sviluppo e come avverrà?
Tutto viste moderne gli ingegneri energetici presentano vari svantaggi, la maggior parte dei quali sono costi elevati (installazioni, connessioni, kilowatt) o bassa disponibilità.
Chiunque abbia mai avuto a che fare con la connessione alla rete sa che ci sono molti problemi e che l'accessibilità lascia molto a desiderare. Sì, e anche il costo.
Il gas, uno dei combustibili più economici ed ecologici, non è disponibile ovunque. Tirare il gasdotto a distanza insediamenti molto difficile. Il gas liquefatto è costoso. Anche una caldaia a gas costa molto. Non è difficile acquistare una bombola del gas e collegarla alla stufa, ma il riscaldamento e l'alimentazione elettrica della casa non si risolvono acquistando una bombola. Inoltre, il gas è esplosivo.
Diesel, olio combustibile - per l'uso nelle caldaie (generatori) è ancora più costoso del gas. Per l'uso in fattorie personali (part-time), puoi mettere un generatore, ma l'elettricità in uscita risulterà piuttosto costosa. E anche il generatore costa denaro.
L'energia idroelettrica richiede la costruzione di centrali idroelettriche: si tratta di grandi costi di capitale. E anche l'operazione è tutt'altro che gratuita. E non disponibile ovunque. E effetti collaterali per l'ecologia. Tutto sommato, è tutt'altro che perfetto. Non adatto a piccole generazioni.
L'energia nucleare è associata al rischio di incidenti (Chernobyl, Fukushima), e per quanto siamo convinti che le moderne centrali nucleari siano assolutamente affidabili, non è comunque molto comodo vivere accanto a una centrale nucleare. Inoltre, le centrali nucleari generano combustibile esaurito ed è radioattivo, deve essere immagazzinato da qualche parte, preferibilmente in un luogo sicuro in modo che non vi siano perdite. E la costruzione di una centrale nucleare è ancora una volta un alto costo di capitale. Le piccole centrali nucleari non esistono e non possono esistere, almeno per ragioni di sicurezza.
L'energia solare è costosa e non sempre efficiente in base al numero di giorni di sole in un anno. È adatto per fornire energia a villaggi remoti e case unifamiliari nelle regioni soleggiate, ma dove è necessaria un'elevata potenza e ci sono pochi giorni di sole, non è adatto.
La produzione eolica si sta gradualmente sviluppando, crescono le dimensioni e la potenza dei generatori, il costo dell'energia diminuisce, ma neanche questo tipo di energia può essere definita una panacea. Non molto economico e poco stabile. E non si applica ovunque.
Non esiste ancora una fonte di energia ideale
Alcuni sono costosi, altri non sono disponibili ovunque, altri sono pericolosi. E tutti hanno una capacità molto limitata, non consentono un aumento arbitrario dei consumi secondo necessità: non è possibile inserire elementi di combustibile aggiuntivi nelle centrali nucleari in eccesso rispetto alla capacità di progetto, il gasdotto non può essere ampliato e un paio di turbine aggiuntive non possono essere aggiunti alle centrali idroelettriche.
In generale, solide restrizioni ...
Un vivido esempio delle carenze dell'energia moderna è la storia della Crimea, quando la penisola ha dovuto affrontare una carenza di energia che non poteva essere reintegrata rapidamente. Non c'erano abbastanza generatori, non era possibile costruire rapidamente una centrale a gas, nemmeno per allungare un cavo attraverso lo stretto, e ciò richiedeva molto tempo.
E non solo la disponibilità di energia lascia molto a desiderare, ma anche il costo.
L'energia costituisce una parte significativa del costo di tutti i beni e servizi, poiché l'energia e il carburante (vettore di energia) vengono utilizzati in tutte le fasi della produzione e della consegna.
Le apparecchiature industriali funzionano con elettricità, i forni funzionano a gas o ancora a elettricità, il costo del trasporto ferroviario include anche il costo dell'elettricità. Il costo dei servizi di autotrasporto comprende il costo del carburante.
Le bollette sono costituite quasi interamente dal costo dell'energia - luce, acqua calda il riscaldamento è tutta energia. E anche il costo acqua fredda dipende dal costo dell'energia, perché l'acqua viene pompata da elettropompe.
Anche il costo del cemento (che è una parte significativa del costo delle abitazioni) dipende fortemente dal costo dell'elettricità e del carburante. Il costo dell'alluminio (uno dei principali materiali moderni) consiste quasi interamente nel costo dell'elettricità, poiché l'alluminio è prodotto per elettrolisi.
La quota di energia e combustibili nel costo di vari beni e servizi varia notevolmente, ma quasi ovunque è piuttosto elevata, dati i costi energetici in tutte le fasi della produzione, dall'estrazione, purificazione e lavorazione delle materie prime.
Pertanto, voglio che l'energia sia sia più economica che più accessibile.
Vorrei che la scalabilità fosse elevata, da kilowatt a gigawatt, in modo che Grande città per fornire energia a basso costo a un piccolo villaggio e persino a una casa unifamiliare. E così funziona ovunque, indipendentemente dal numero di giorni di sole in un anno, dalla presenza di vento, fiumi, terreno e altri fattori naturali. E per rendere disponibile il carburante. E per essere rispettosi dell'ambiente.
Ma è possibile?
Esiste una fonte di energia che soddisfa tutti i criteri di cui sopra (disponibilità, scalabilità, basso costo di installazione e funzionamento, rispetto dell'ambiente)?
Non esiste una tale fonte sul mercato oggi.
Tutte le fonti di energia esistenti presentano alcuni svantaggi e limitazioni: un'installazione relativamente economica, ma energia costosa, costi di capitale elevati, rischi ambientali o altre limitazioni.
Nel prossimo futuro ci sarà una nuova fonte di energia
Una fonte che avrà sia un'elevata scalabilità (da un kilowatt a un gigawatt), sia la possibilità di installazione diffusa (dalle grandi città e strutture industriali ai piccoli centri e singole case), sia rispettosa dell'ambiente, sia un basso costo dell'energia ricevuta ( più volte o anche parecchie dieci volte più economici di tutti quelli esistenti).
Energia che sarà più conveniente molte volte e decine di volte sia in termini di costi che di possibilità di installazione in qualsiasi area: in montagna, nell'estremo nord, in villaggi remoti, su isole e penisole.
Ogni impresa potrà permettersi l'installazione della propria centrale elettrica, che produce energia a un prezzo inferiore a quella attualmente disponibile in qualsiasi rete.
Per la realizzazione di un villaggio o di un nuovo complesso residenziale, non sarà necessario realizzare la derivazione di energia da centrali idroelettriche, termoelettriche o nucleari esistenti - sarà possibile installare una propria centrale.
Una riduzione multipla del costo dell'energia comporterà un cambiamento nei prezzi di tutti i beni e servizi, renderà disponibili nuovi materiali e tecnologie che oggi non sono redditizie da utilizzare a causa degli elevati costi energetici.
La rivoluzione energetica porterà con sé grandi cambiamenti in tutti gli altri ambiti, forse anche rivoluzionari.
Dopo il settore energetico, cambierà la struttura dell'economia e, seguendo l'economia, cambierà anche la struttura socio-politica.
Ma quale nuova fonte di energia porterà alla rivoluzione energetica globale ea tutti i cambiamenti che ne conseguiranno?
Da dove arriveranno kilowatt, megawatt e gigawatt economici in qualsiasi luogo e quantità, e anche in condizioni di pulizia ambientale?
Energia di fusione nucleare
L'industria dell'energia nucleare che esiste oggi si basa sulle reazioni di fissione di elementi radioattivi pesanti (gli isotopi dell'uranio sono utilizzati nelle centrali nucleari in funzione). Questo è ciò che causa l'elevata complessità e il costo delle centrali nucleari, le gravi conseguenze degli incidenti e i problemi con il combustibile esaurito.
Il combustibile radioattivo è difficile e costoso da produrre, utilizzare e smaltire. Costi e rischi elevati incidono sul costo dell'energia ricevuta e non consentono la costruzione di piccole centrali nucleari ovunque e ovunque, trasferendole in funzione a personale non formato e non controllato.
Tuttavia, insieme alle reazioni di fissione, ci sono reazioni di fusione che danno una resa energetica molto maggiore e allo stesso tempo non si formano isotopi radioattivi in uscita, il che significa che non ci sono problemi con il combustibile esaurito.
I prodotti della fusione nucleare sono quasi sempre isotopi stabili che non sono diversi da quelli che esistono in natura. Ci sono, ovviamente, reazioni di fusione con rilascio di isotopi radioattivi, ma nessuno le obbliga a realizzarle.
Molto è stato detto e scritto per molto tempo sulle prospettive dell'energia da fusione nucleare.
La rivoluzione energetica associata allo sviluppo della tecnologia di fusione nucleare era prevista alla fine del secolo scorso: stavano aspettando, ma non l'hanno mai fatto.
Circa mezzo secolo fa, iniziarono i tentativi fusione nucleare e quindi fornire al mondo intero energia pulita e praticamente inesauribile (1 grammo di sostanza sintetizzata fornisce più energia di 100 litri di benzina, nonostante il fatto che qualsiasi cosa possa potenzialmente essere combustibile nelle reazioni di sintesi, compresa l'acqua ordinaria).
Tuttavia, i tentativi di avviare reazioni di fusione nella pratica si sono imbattuti in una barriera di Coulomb, che si è rivelata molto difficile da superare.
La barriera di Coulomb è la forza repulsiva dei nuclei atomici, che impedisce la loro fusione (sintesi). È proprio a causa della barriera di Coulomb che la fusione nucleare non gira da sola e dappertutto. Senza questa barriera, tutta la materia si sarebbe trasformata molto tempo fa in ferro e in una serie di altri elementi pesanti.
A causa della stessa barriera di Coulomb, un'esplosione termonucleare non può causare una reazione a catena durante la quale l'intero pianeta brucerebbe. In un'esplosione termonucleare, la fusione nucleare avviene solo nel volume di materia che è stato "dato alle fiamme" al momento dell'esplosione del primo stadio, che è una carica nucleare di fissione convenzionale.
Per mezzo secolo, dall'emergere di idee sull'uso delle reazioni di fusione nucleare in economia nazionale, i tentativi di creare l'energia della sintesi si sono schiantati stabilmente contro questa stessa barriera di Coulomb.
I tokamak (una specie di reattori a fusione) sono stati costruiti (e continuano ad essere costruiti) uno più dell'altro, tuttavia, una produzione di energia positiva che supererebbe i costi del riscaldamento e della conservazione del plasma ad alta temperatura all'interno di una ciambella magnetica (toro, quindi il nome - tokamak, bobina magnetica toroidale) - come non lo era, non lo era. E c'è motivo di credere che non lo farà mai.
Ma se tutti i tentativi di lanciare una fusione nucleare energeticamente efficiente si sono finora schiantati contro la barriera di Coulomb, se i tokamak non hanno ancora dato una produzione di energia positiva e non si sa se la daranno mai, da dove arriva la previsione di un'imminente rivoluzione energetica da?
LENR o LENR - fusione nucleare a bassa energia
Insieme ai tentativi di costruire tokamak e lanciare la fusione nucleare nel plasma ad alta temperatura, c'è una direzione che viene spesso chiamata fusione fredda, sebbene questo non sia il termine corretto, il che fuorvia molti.
La conclusione è che la fusione nucleare può avvenire non solo nel plasma ad alta temperatura, ma anche in altre condizioni, in particolare con una potente scarica elettrica, in cui i nuclei degli atomi acquisiscono energia sufficiente per la fusione (quindi non è corretto per chiamare questa fusione fredda, l'energia impartita alle particelle questo caso non meno che nel plasma ad alta temperatura). Sono state scoperte altre condizioni in cui avviene la fusione nucleare "calda", a temperature "al di sotto del plasma, ma al di sopra della temperatura ambiente".
Per molto tempo la scienza accademica non ha riconosciuto la possibilità stessa della fusione nucleare in condizioni diverse dal plasma ad alta temperatura. Un'eccezione è stata fatta per la "catalisi dei mesoni", in cui la fusione non richiedeva il riscaldamento della sostanza, ma non era energeticamente redditizia, perché il costo per ottenere i mesoni è superiore alla resa energetica della fusione.
Alcuni scienziati che hanno condotto ricerche nel campo della fusione a bassa energia (LENR) sono stati aspramente criticati dalla comunità accademica, dichiarati "alchimisti" e alcuni sono stati addirittura licenziati dai loro istituti "per eresia".
Ma non importa quanto gli "ortodossi della fisica" affermassero che la fusione nucleare non può procedere a basse energie, perché non può nemmeno essere fatta: la ricerca in questo settore è continuata, nuovi centri di ricerca si sono uniti a loro, i finanziamenti sono aumentati, la base sperimentale è cresciuta e .. Alla fine si è scoperto che l'impossibile è ancora possibile e la fusione nucleare avviene non solo nel plasma ad alta temperatura, ma anche in altre condizioni e stati della materia.
Per l'anno scorso numerosi esperimenti sull'implementazione della fusione "calda" e della fusione in scariche elettriche sono stati ripetuti da vari gruppi di ricerca indipendenti, ottenendo un effetto riproducibile stabile e, soprattutto, ottenendo una resa energetica positiva, che si è rivelata maggiore rispetto all'uranio reazioni di fissione (come dovrebbe essere, perché le reazioni di fusione sono energeticamente più potenti delle reazioni di fissione).
Inoltre, sono state sviluppate diverse teorie contemporaneamente, che spiegano esattamente come i nuclei degli atomi riescano a superare l'ostinata barriera di Coulomb e perché ciò avvenga in condizioni rigorosamente definite.
Non c'è ancora consenso nella comunità scientifica su quale delle teorie sia corretta. C'è anche chi continua a ripetere ostinatamente "questo non può essere, perché non può mai essere". Ma è inevitabile il riconoscimento dei fatti, così come l'affinamento della base teorica ad un unico stato riconosciuto dalla comunità scientifica.
La barriera di Coulomb è stata superata
La barriera di Coulomb è stata superata in tutti i sensi e ora l'emergere di reattori nucleari che operano secondo i principi della fusione è principalmente un compito ingegneristico e una questione di tempo.
Naturalmente, prima della comparsa dei reattori industriali a fusione nucleare, potrebbero volerci molti altri anni. Forse anche diversi decenni. Il percorso da un impianto pilota a un design industriale non è sempre facile. E la scienza deve giungere a un consenso sulle basi fisiche di queste reazioni; senza questo, il processo di attuazione si bloccherà notevolmente.
A titolo di esempio, possiamo ricordare la storia della costruzione di elicotteri. I primi elicotteri sperimentali apparvero all'inizio del XX secolo, ma erano pericolosi, instabili e inefficienti. Solo pochi decenni dopo, nel secondo dopoguerra, fu possibile sviluppare elicotteri affidabili e veramente efficienti, metterli in produzione e trasformarli da modelli sperimentali in modelli industriali.
È probabile che i reattori a fusione nucleare andranno allo stesso modo: dalle strutture sperimentali in funzione oggi alle apparecchiature industriali che inizieranno a essere prodotte tra 10-20 anni.
Ma la cosa più importante è già accaduta: sono stati creati campioni sperimentali di reattori a fusione, i ricercatori hanno ottenuto un effetto riproducibile stabile e una produzione di energia positiva che supera la produzione di energia dalle barre di combustibile utilizzate nelle moderne centrali nucleari.
I prototipi ci consentono di concludere che i reattori a fusione saranno molto scalabili: la potenza effettiva minima partirà da pochi kilowatt e l'unità di potenza di questa potenza può avere le dimensioni di un'unità di sistema informatico. Il costo di installazione per kilowatt di potenza sarà inferiore a qualsiasi generatore esistente. Il costo del carburante (addebito) sarà trascurabile a causa dell'uso di una sostanza onnipresente.
Non elencherò i ricercatori e le strutture sperimentali su cui è stato ottenuto l'effetto della fusione nucleare in questo materiale, perché meritano una revisione separata, che preparerò e posterò ulteriormente.
Per ora, indicherò solo i paesi in cui sono stati condotti gli studi e sono stati ottenuti risultati positivi: Russia, Giappone, Italia e Stati Uniti. Allo stesso tempo, la prima installazione di fusione nucleare, a quanto pare, è stata creata in URSS, ma il progetto non ha ricevuto uno sviluppo tempestivo ed è stato chiuso.
È particolarmente importante che gli scienziati cinesi siano riusciti a riprodurre l'effetto della fusione nucleare e, se qualcosa è stato riprodotto in Cina, la comparsa di progetti industriali non può essere fermata.
L'energia della fusione nucleare si sta trasformando dalla fantasia in realtà.
Il mondo è sull'orlo di una rivoluzione energetica che non può essere cancellata.
Per non cancellare tutte le altre rivoluzioni che seguiranno quella energetica, perché l'energia è alla base di tutto: produzione, trasporti, supporto vitale, base dell'intera economia. E l'economia è la base della politica e dell'ordine sociale. Alla rivoluzione energetica, quindi, seguirà tutto il resto, fino a quelle socio-politiche.
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Le reazioni di fusione nucleare sono chiamate termonucleari perché l'unico modo per avviare le reazioni è riscaldare il combustibile nucleare ad una temperatura elevata.
La reazione di fusione nucleare può anche servire come fonte di energia.
Le reazioni di fusione nucleare richiedono estremamente alte temperature e pressione.
L'idrogeno-3 è il più facile da inserire nella reazione di fusione nucleare, ma è presente l'atmosfera terrestre in quantità così ridotte, e la sua produzione è associata a costi molto elevati, che viene messa in discussione la stessa fattibilità del suo utilizzo come combustibile.
Questa reazione è chiamata reazione di fusione nucleare, poiché il risultato della combinazione di nuclei è un nucleo più pesante.
Affinché una reazione di fusione nucleare abbia inizio, è necessario raggiungere una temperatura dell'ordine di un milione di gradi. Poiché l'unico mezzo attualmente noto per raggiungere tali temperature sono le reazioni di fissione nucleare, per eccitare la reazione di fusione dell'idrogeno viene utilizzata una bomba atomica basata sulla fissione. Si presume che l'energia rilasciata dalle stelle, incluso il nostro Sole, si formi a seguito di reazioni di fusione nucleare, simili alle reazioni di cui sopra. A seconda dell'età e della temperatura della stella, i nuclei di carbonio, ossigeno e azoto, nonché gli isotopi di idrogeno ed elio, possono prendere parte a tali reazioni.
Il problema principale della reazione di fusione è sviluppare una tecnologia in grado di trattenere un gas di particelle cariche, un plasma ad una temperatura dell'ordine di molti milioni di gradi per un periodo piuttosto lungo in modo da rilasciare la quantità di energia richiesta, mentre il plasma è in uno stato isolato. . Esistono due metodi per controllare questo processo: il metodo dei campi magnetici e il metodo per trattenere atomi di idrogeno pesanti con l'aiuto di potenti laser. Questo metodo è il modo più semplice per realizzare la fusione nucleare, che coinvolge deuterio e trizio e che avviene in un plasma trattenuto da campi magnetici a una temperatura superiore a 100 milioni di C. I prodotti finali della reazione di fusione sono ioni elio (He -4) e neutroni. Circa l'80% dell'energia rilasciata a seguito della fusione proviene dai neutroni. I sistemi di trasferimento e conversione del calore, che sono il passaggio successivo, sono simili a quelli utilizzati reattori nucleari divisione.
Imparare a generare energia utile attraverso la fusione nucleare è importante soprattutto perché fusione termonucleareè una fonte di energia quasi inesauribile. Il costo del combustibile da fusione è piccolo rispetto al costo dei combustibili fossili; è disponibile ovunque e il processo per ottenerlo ha solo un impatto minore sull'ambiente. Inoltre, sebbene anche l'energia termonucleare sia uno dei tipi energia atomica, differisce in modo significativo dall'energia atomica convenzionale, che viene rilasciata durante la fissione di uranio, plutonio e torio. Rispetto ai reattori nucleari a fissione e ai pericoli che creano, un reattore a fusione sembra essere molto meno pericoloso.
Il tasso di rilascio di energia come risultato di tutte le reazioni di fusione nucleare che si verificano ogni secondo risulta essere un valore sorprendentemente piccolo, se espresso in calorie per grammo di materia. Sarà più di 100 volte inferiore alla velocità alla quale corpo umano in un secondo rilascia calore nel processo del suo metabolismo. Naturalmente, la quantità totale di calore sprigionato dal Sole non può essere paragonata al calore del nostro corpo a causa dell'enorme quantità di massa totale del Sole. Ma sorge la domanda su come il Sole possa essere così caldo se la velocità di rilascio di calore per grammo di massa in esso è 100 volte inferiore a quella del nostro corpo.
È generalmente accettato che la generazione di energia attraverso la fusione nucleare dovrebbe causare meno inquinamento. ambiente che dalla fissione nucleare. Tuttavia, va tenuto conto del fatto che i materiali di costruzione delle parti interne di un reattore a fusione devono diventare molto radioattivi e spesso devono essere sostituiti. Qual è la causa di queste complicazioni.
L'abbondanza di un elemento è correlata alla stabilità del suo nucleo e al corso delle reazioni di fusione nucleare degli elementi. In base a ciò, esistono regole approssimative che determinano l'abbondanza di un elemento. Pertanto, è stato osservato che gli elementi con piccole masse atomiche sono più comuni degli elementi pesanti. Inoltre, le masse atomiche degli elementi più comuni sono espresse in multipli di quattro; gli elementi con numeri ordinali pari sono molte volte più comuni dei loro vicini elementi dispari.
Prospettive davvero immense per lo sviluppo della base energetica della produzione promettono alla società il dominio di una reazione di fusione nucleare controllata. La soluzione del problema del controllo delle reazioni termonucleari è all'ordine del giorno della scienza sovietica. Tra i suoi compiti c'è la scoperta di modi conversione diretta energia termica, nucleare, solare e chimica in energia elettrica.
Se i protoni riescono ad avvicinarsi alle distanze r r0, si verifica una reazione di fusione nucleare, i nucleoni formano un sistema legato: il nucleo dell'atomo di deuterio. Lo stato legato corrisponde al modello di una particella in un pozzo potenziale. Ma un tal approccio di particelle è impedito da una barriera potenziale. Per chiarire la possibilità di una reazione, è necessario risolvere il problema del passaggio di particelle attraverso una barriera a diverse energie.
Il litio è una fonte dell'isotopo pesante dell'idrogeno, il trizio, che viene utilizzato nelle reazioni di fusione nucleare.
Da bambino amavo leggere la rivista "Scienza e Vita", in paese c'era un dossier a partire dagli anni '60. Lì parlavano spesso di fusione termonucleare in modo gioioso: è quasi arrivata e lo sarà! Molti paesi, per essere in tempo per la distribuzione di energia gratuita, hanno costruito Tokamak (e ne hanno installati un totale di 300 in tutto il mondo).
Gli anni sono passati... È il 2013 e l'umanità ottiene ancora la maggior parte della sua energia dalla combustione del carbone, come nel 19° secolo. Perché è successo, cosa impedisce la creazione di un reattore termonucleare e cosa possiamo aspettarci in futuro - sotto il taglio.
Le più realistiche e interessanti in termini pratici sono le seguenti reazioni di sintesi:
1) 2 D+ 3 T -> 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV)
2) 2 D+ 2 D -> 3 T (1,01 MeV) + p (3,02 MeV) 50%
2 D+ 2 D -> 3 He (0,82 MeV) + n (2,45 MeV) 50%
3) 2 D+ 3 He -> 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV)
4) p+ 11 B -> 3 4 He + 8,7 MeV
Il deuterio (D) viene utilizzato in queste reazioni: può essere ottenuto direttamente da acqua di mare, Trizio (T) - un isotopo radioattivo dell'idrogeno, ora è ottenuto come prodotto di scarto nei reattori nucleari convenzionali, può essere prodotto appositamente dal litio. Elio-3 - come sulla Luna, come tutti già sappiamo. Boro-11 - il boro naturale è costituito per l'80% da boro-11. p (Protio, atomo di idrogeno) - idrogeno ordinario.
Per confronto, la fissione di 235 U rilascia ~202,5 MeV di energia, cioè molto più che con una reazione di fusione basata su 1 atomo (ma basata su un chilogrammo di carburante - ovviamente, il combustibile termonucleare fornisce più energia).
Secondo le reazioni 1 e 2, si ottengono molti neutroni ad altissima energia, che rendono radioattiva l'intera struttura del reattore. Ma le reazioni 3 e 4 - "senza neutroni" (aneutroniche) - non danno radiazioni indotte. Sfortunatamente, rimangono ancora reazioni collaterali, ad esempio dalla reazione 3: il deuterio reagirà con se stesso e ci sarà ancora una piccola radiazione di neutroni.
La reazione 4 è interessante perché come risultato otteniamo 3 particelle alfa, dalle quali, teoricamente, l'energia può essere direttamente rimossa (perché in realtà rappresentano cariche in movimento = corrente).
Tutto sommato, reazioni interessanti abbastanza. L'unica domanda è: quanto è facile implementarli nella realtà?
Sulla complessità della reazione L'umanità ha dominato la fissione di 235 U in modo relativamente semplice: non ci sono difficoltà qui - poiché i neutroni non hanno una carica, possono letteralmente "strisciare" attraverso il nucleo anche a velocità molto basse. Nella maggior parte dei reattori a fissione, vengono utilizzati proprio questi neutroni termici, in cui la velocità del movimento è paragonabile alla velocità del movimento termico degli atomi.
Ma durante la reazione di fusione, abbiamo 2 nuclei che hanno una carica e si respingono. Per avvicinarli alla distanza necessaria alla reazione, è necessario che si muovano a una velocità sufficiente. Questa velocità può essere raggiunta in un acceleratore (quando tutti gli atomi si muovono alla stessa velocità ottimale di conseguenza) o mediante riscaldamento (quando gli atomi volano in modo casuale in direzioni casuali ea velocità casuale).
Ecco un grafico che mostra la velocità di reazione (sezione trasversale) rispetto alla velocità (=energia) degli atomi in collisione: 
Ecco lo stesso, ma costruito dalla temperatura del plasma, tenendo conto del fatto che gli atomi lì volano a una velocità casuale: 
Si vede subito che la reazione D+T è la più “facile” (ci vogliono miseri 100 milioni di gradi), D+D è circa 100 volte più lenta alle stesse temperature, D+3 va più veloce solo del concorrente D+D a temperature dell'ordine di 1 miliardo di gradi.
Pertanto, solo la reazione D + T è almeno remotamente accessibile a una persona, con tutte le sue carenze (radioattività del trizio, difficoltà a ottenerlo, radiazione indotta dai neutroni).
Ma come capisci, prendere e riscaldare qualcosa fino a cento milioni di gradi e lasciarlo reagire non funzionerà: tutti gli oggetti riscaldati emettono luce e quindi si raffreddano rapidamente. Il plasma riscaldato a centinaia di milioni di gradi - brilla nella gamma dei raggi X, e ciò che è più triste - è trasparente per lui. Quelli. Il plasma con una tale temperatura si raffredda rapidamente in modo fatale e, per mantenere la temperatura, è necessario pompare costantemente energia gigantesca per mantenere la temperatura.
Tuttavia, a causa del fatto che c'è pochissimo gas in un reattore termonucleare (ad esempio, in ITER - solo mezzo grammo), tutto non risulta così male: per riscaldare 0,5 g di idrogeno a 100 milioni di gradi, è necessario spendere all'incirca la stessa quantità di energia necessaria per riscaldare 186 litri di acqua ogni 100 gradi.
Il progetto è terminato il 30 settembre 2012. Si è scoperto che c'erano delle imprecisioni nel modello del computer. Secondo la nuova stima, la potenza dell'impulso raggiunta al NIF è di 1,8 megajoule, il 33-50% di quanto necessario per rilasciare tutta l'energia consumata. 
Macchina Z Sandy L'idea è questa: prendere una grossa pila di condensatori ad alta tensione e scaricarli bruscamente attraverso sottili fili di tungsteno al centro della macchina. I fili evaporano istantaneamente e un'enorme corrente di 27 milioni di ampere continua a fluire attraverso di essi per 95 nanosecondi. Il plasma, riscaldato a milioni e miliardi (!) gradi, emette raggi X e comprime una capsula con una miscela di deuterio-trizio al centro (l'energia di un impulso di raggi X è di 2,7 megajoule).
Si prevede di aggiornare il sistema utilizzando il russo centrale elettrica(Driver per trasformatore lineare - LTD). Nel 2013 sono attese le prime prove, in cui l'energia ricevuta sarà confrontata con l'energia spesa (Q=1). Forse questa direzione in futuro avrà la possibilità di confrontare e superare i tokamak. 
Fuoco denso al plasma-DPF- "collassa" il plasma che scorre lungo gli elettrodi per ottenere temperature gigantesche. Nel marzo 2012 è stata raggiunta una temperatura di 1,8 miliardi di gradi in un impianto funzionante secondo questo principio.
Dipolo levitato- tokamak "invertito", al centro della camera a vuoto è appeso un magnete toroidale superconduttore che trattiene il plasma. In un tale schema, il plasma promette di essere stabile da solo. Ma al momento il progetto non ha finanziamenti, sembra che la reazione di sintesi non sia stata effettuata direttamente presso la struttura.
Farnsworth-Hirsch fusore L'idea è semplice: posizioniamo due griglie sferiche in una camera a vuoto riempita di deuterio, o una miscela di deuterio e trizio, applichiamo tra loro un potenziale di 50-200 mila volt. In un campo elettrico, gli atomi iniziano a volare attorno al centro della camera, a volte scontrandosi tra loro.
C'è una resa di neutroni, ma è piuttosto piccola. Grandi perdite di energia dovute alla bremsstrahlung dei raggi X, la griglia interna si riscalda rapidamente ed evapora dalle collisioni con atomi ed elettroni. Sebbene il progetto sia interessante da un punto di vista accademico (qualsiasi studente può assemblarlo), l'efficienza della generazione di neutroni è molto inferiore rispetto agli acceleratori lineari. 
Polywellè un buon promemoria del fatto che non tutti i lavori di fusione sono pubblici. Il lavoro è stato finanziato dalla Marina degli Stati Uniti ed è stato classificato fino a quando non sono stati ottenuti risultati negativi.
L'idea è uno sviluppo del fusore Farnsworth–Hirsch. L'elettrodo negativo centrale, che ha avuto più problemi, lo sostituiamo con una nuvola di elettroni trattenuti da un campo magnetico al centro della camera. Tutti i modelli di test avevano magneti regolari, non superconduttori. La reazione ha prodotto singoli neutroni. In generale, nessuna rivoluzione. Forse l'aumento delle dimensioni e dei magneti superconduttori avrebbe cambiato qualcosa.
Catalisi Muonica- un'idea radicalmente diversa. Prendiamo un muone caricato negativamente e lo sostituiamo con un elettrone in un atomo. Poiché il muone è 207 volte più pesante dell'elettrone, i 2 atomi nella molecola di idrogeno saranno molto più vicini tra loro e si verificherà la reazione di fusione. L'unico problema è che se a seguito della reazione si forma elio (possibilità ~ 1%) e il muone vola via con esso, non sarà più in grado di partecipare alle reazioni (perché l'elio non forma un composto chimico con idrogeno).
Il problema qui è che la generazione del muone è attiva questo momento richiede più energia di quella che può essere ottenuta in una catena di reazioni, e quindi l'energia non può ancora essere ottenuta qui.
Fusione termonucleare "fredda".(questo non include la catalisi del muone "freddo") - è stato a lungo un pascolo di pseudoscienziati. Non ci sono risultati positivi scientificamente confermati e ripetibili indipendentemente. E le sensazioni a livello di stampa gialla sono state più di una volta prima dell'E-Cat di Andrea Rossi.
reazione termonucleareè una reazione di fusione di nuclei leggeri in nuclei più pesanti.
Per la sua attuazione è necessario che i nucleoni iniziali o nuclei leggeri si avvicinino tra loro a distanze uguali o inferiori al raggio della sfera d'azione delle forze nucleari di attrazione (cioè fino a distanze di 10-15 m). Tale avvicinamento reciproco dei nuclei è impedito dalle forze repulsive di Coulomb che agiscono tra i nuclei caricati positivamente. Perché avvenga una reazione di fusione, è necessario riscaldare una sostanza ad alta densità a temperature ultraelevate (dell'ordine di centinaia di milioni di Kelvin) in modo che l'energia cinetica del moto termico dei nuclei sia sufficiente per superare il Coulomb repulsivo forze. A tali temperature, la materia esiste sotto forma di plasma. Poiché la fusione può avvenire solo a temperature molto elevate, le reazioni di fusione nucleare sono chiamate reazioni termonucleari (dal greco. terme"calore, calore").
Le reazioni termonucleari rilasciano un'enorme energia. Ad esempio, nella reazione della fusione del deuterio con la formazione di elio
\(~^2_1D + \ ^2_1D \to \ ^3_2Lu + \ ^1_0n\)
Vengono rilasciati 3,2 MeV di energia. Nella reazione della sintesi del deuterio con la formazione del trizio
\(~^2_1D + \ ^2_1D \to \ ^3_1T + \ ^1_1p\)
4,0 MeV di energia vengono rilasciati e nella reazione
\(~^2_1D + \ ^3_1T \to \ ^4_2Lu + \ ^1_0n\)
Vengono rilasciati 17,6 MeV di energia.
Riso. 1. Schema della reazione deuterio-trizio
Attualmente, una reazione termonucleare controllata viene effettuata dalla sintesi di deuterio \(~^2H\) e trizio\(~^3H\). Le scorte di deuterio dovrebbero durare milioni di anni e le scorte di litio facilmente estratto (per produrre trizio) sono abbastanza sufficienti per soddisfare il fabbisogno per centinaia di anni.
Tuttavia, in questa reazione, la maggior parte (più dell'80%) dell'energia cinetica rilasciata cade proprio sul neutrone. Come risultato delle collisioni di frammenti con altri atomi, questa energia viene convertita in energia termica. Inoltre, i neutroni veloci creano una quantità significativa di scorie radioattive.
Pertanto, le più promettenti sono le reazioni "senza neutroni", ad esempio deuterio + elio-3.
\(~D + \ ^3He \to \ ^4He + p\)
Questa reazione manca di una resa di neutroni, che sottrae una parte significativa della potenza e genera radioattività indotta nel progetto del reattore. Inoltre, le riserve di elio-3 sulla Terra vanno da 500 kg a 1 tonnellata, ma sulla Luna è in quantità significative: fino a 10 milioni di tonnellate (secondo stime minime - 500 mila tonnellate). Allo stesso tempo, può essere facilmente ottenuto sulla Terra dal litio-6, che è ampiamente distribuito in natura, utilizzando i reattori a fissione nucleare esistenti.
Sulla Terra, la prima reazione termonucleare fu effettuata durante l'esplosione di una bomba all'idrogeno il 12 agosto 1953 nel sito di prova di Semipalatinsk. "Suo padre" era l'accademico Andrei Dmitrievich Sakharov, a cui fu assegnato tre volte il titolo di Eroe del lavoro socialista per lo sviluppo delle terme armi nucleari. L'elevata temperatura necessaria per avviare una reazione termonucleare in una bomba all'idrogeno è stata ottenuta a seguito dell'esplosione del suo costituente bomba atomica interpretando il ruolo di un detonatore. Reazioni termonucleari che si verificano durante le esplosioni bombe all'idrogeno, sono incontrollabili.
Riso. 2. Bomba all'idrogeno
Se fosse possibile effettuare reazioni termonucleari facilmente controllabili in condizioni terrestri, l'umanità riceverebbe una fonte di energia quasi inesauribile, poiché le riserve di idrogeno sulla Terra sono enormi. Tuttavia, grandi difficoltà tecniche ostacolano l'implementazione di reazioni termonucleari controllate energeticamente vantaggiose. Innanzitutto è necessario creare temperature dell'ordine di 10 8 K. Tali temperature ultraelevate possono essere ottenute creando scariche elettriche di elevata potenza nel plasma.
Questo metodo viene utilizzato in installazioni del tipo "Tokamak" (TO-Riodal Camera with Magnetic Coils), create per la prima volta presso l'Istituto di Energia Atomica. I. V. Kurchatova. In tali installazioni, il plasma viene creato in una camera toroidale, che è l'avvolgimento secondario di un potente trasformatore di impulsi. Il suo avvolgimento primario è collegato a un banco di condensatori molto grande. La camera è piena di deuterio. Quando la batteria di condensatori viene scaricata attraverso l'avvolgimento primario nella camera toroidale, viene eccitato un campo elettrico a vortice, provocando la ionizzazione del deuterio e la comparsa di un potente impulso di corrente elettrica in esso, che porta a un forte riscaldamento del gas e del formazione di un plasma ad alta temperatura in cui può verificarsi una reazione termonucleare.
Riso. 3. schema elettrico funzionamento del reattore
La difficoltà principale è mantenere il plasma all'interno della camera per 0,1-1 s senza contatto con le pareti della camera, poiché non esistono materiali in grado di resistere a temperature così elevate. Questa difficoltà può essere parzialmente superata con l'aiuto di un toroidale campo magnetico, che contiene la fotocamera. Sotto l'azione delle forze magnetiche, il plasma si attorciglia in una corda e, per così dire, "si blocca" sulle linee di induzione del campo magnetico, senza toccare le pareti della camera.
L'inizio dell'era moderna nello studio delle possibilità della fusione termonucleare va considerato il 1969, quando fu raggiunta una temperatura di 3 M°C in un plasma di circa 1 m 3 presso l'impianto russo Tokamak T3. Successivamente, gli scienziati di tutto il mondo hanno riconosciuto il design del tokamak come il più promettente per il confinamento magnetico del plasma. Alcuni anni dopo, è stata presa la decisione coraggiosa di creare una struttura JET (Joint European Torus) con un volume di plasma molto più grande (100 m3). Il ciclo di funzionamento dell'unità è di circa 1 minuto, poiché le sue bobine toroidali sono in rame e si riscaldano rapidamente. Questa struttura ha iniziato a funzionare nel 1983 e rimane il tokamak più grande del mondo, fornendo riscaldamento al plasma a una temperatura di 150 M°C.
Riso. 4. Progettazione del reattore JET
Nel 2006 i rappresentanti della Russia, Corea del Sud, Cina, Giappone, India, Unione Europea e Stati Uniti hanno firmato a Parigi un accordo per avviare i lavori per la costruzione del primo reattore sperimentale termonucleare internazionale (International Tokamak Experimental Reactor - ITER). Le bobine magnetiche del reattore ITER saranno basate su materiali superconduttori (che, in linea di principio, consentono il funzionamento continuo, a condizione che venga mantenuta la corrente nel plasma), quindi i progettisti sperano di fornire un duty cycle garantito di almeno 10 minuti.
Riso. 5. Progettazione del reattore ITER.
Il reattore sarà costruito vicino alla città di Cadarache, situata a 60 chilometri da Marsiglia, nel sud della Francia. I lavori di preparazione del sito inizieranno la prossima primavera. La costruzione del reattore stesso dovrebbe iniziare nel 2009.
La costruzione durerà dieci anni, i lavori al reattore dovrebbero essere eseguiti entro vent'anni. Il costo totale del progetto è di circa 10 miliardi di dollari. Il quaranta per cento dei costi sarà a carico dell'Unione Europea, il sessanta per cento cadrà in parti uguali sul resto dei partecipanti al progetto.
Un altro modo per raggiungere questo obiettivo è la fusione laser. L'essenza di questo metodo è la seguente. Una miscela congelata di deuterio e trizio, preparata sotto forma di sfere con un diametro inferiore a 1 mm, viene irradiata uniformemente da tutti i lati con una potente radiazione laser. Ciò porta al riscaldamento e all'evaporazione della sostanza dalla superficie delle sfere. In questo caso, la pressione all'interno delle sfere aumenta fino a valori dell'ordine di 10 15 Pa. Sotto l'azione di tale pressione, si verifica un aumento della densità e un forte riscaldamento della sostanza nella parte centrale delle sfere e inizia una reazione termonucleare.
Contrariamente al confinamento magnetico del plasma, nel confinamento laser il tempo di confinamento (cioè la durata di un plasma ad alta densità e temperatura, che determina la durata delle reazioni termonucleari) è di 10–10–10–11 s; quindi, LTS può essere eseguito solo in modalità pulsata. La proposta di utilizzare i laser per la fusione termonucleare è stata presentata per la prima volta presso l'Istituto di fisica. Accademia delle scienze P. N. Lebedev dell'URSS nel 1961 N. G. Basov e O. N. Krokhin.
Il Lawrence Livermore National Laboratory in California ha completato (maggio 2009) la costruzione del complesso laser più potente del mondo. Si chiamava "National Incendiary Plant" (US National Ignition Facility, NIF). La costruzione è durata 12 anni. Sul complesso laser Sono stati spesi 3,5 miliardi di dollari
Riso. 7. Diagramma schematico di SLU
Il NIF si basa su 192 potenti laser che saranno diretti simultaneamente verso un bersaglio sferico millimetrico (circa 150 microgrammi di combustibile termonucleare - una miscela di deuterio e trizio; in futuro, il trizio radioattivo potrà essere sostituito con un isotopo leggero di elio-3 ). Di conseguenza, la temperatura target raggiungerà i 100 milioni di gradi, mentre la pressione all'interno della palla sarà 100 miliardi di volte superiore alla pressione dell'atmosfera terrestre.
I fautori dell'utilizzo di reattori a fusione per generare elettricità fanno i seguenti argomenti a loro favore:
La fusione termonucleare controllata è un processo fisico interessante che (finora in teoria) può salvare il mondo dalla dipendenza energetica dai combustibili fossili. Il processo si basa sulla sintesi di nuclei atomici da nuclei più leggeri a nuclei più pesanti con rilascio di energia. A differenza di un altro uso dell'atomo - il rilascio di energia da esso nei reattori nucleari durante il decadimento - la fusione su carta non lascerà praticamente alcun sottoprodotto radioattivo. Speranze particolari sono riposte sul reattore ITER, la cui creazione è costata una quantità folle di denaro. Gli scettici, tuttavia, fanno affidamento sullo sviluppo delle società private.
Nel 2018, gli scienziati hanno dato la notizia che, nonostante le preoccupazioni il riscaldamento globale, il carbone ha generato il 38% dell'elettricità mondiale nel 2017, esattamente la stessa quantità di quando sono apparsi i primi allarmi climatici 20 anni fa. Peggio ancora, le emissioni di gas serra sono aumentate del 2,7% lo scorso anno, il più grande aumento in sette anni. Questa stagnazione ha portato anche politici e ambientalisti a pensare che abbiamo bisogno di più energia nucleare.
