Futuro. Gli scienziati 60-70 anni fa stavano cercando modi per ottenere energia a basso costo. Il metodo è noto da molto tempo, ma ancora oggi è impossibile controllare l'energia di tale potere. Riguarda sulla fusione termonucleare. Gestito fusione termonucleare- questa è la fusione di nuclei atomici più pesanti da quelli più leggeri per ottenere un'enorme energia, che, a differenza della fusione termonucleare esplosiva (usata nelle bombe all'idrogeno), è completamente controllata.
La fusione termonucleare controllata differisce dalla fusione tradizionale in quanto quest'ultima utilizza una reazione di decadimento durante la quale è possibile ottenere nuclei più leggeri da nuclei pesanti. Un reattore termonucleare è molto più sicuro di un reattore nucleare (reattore nucleare) in termini di radiazioni. Prima di tutto, il numero di persone che ci sono dentro sostanze radioattive relativamente piccolo, questo lo rende quasi ecologico.
Anche l'energia che può essere rilasciata a seguito di un qualche tipo di incidente è relativamente piccola e non può portare alla distruzione del reattore. Allo stesso tempo, ci sono diversi ostacoli naturali nella progettazione del reattore che impediscono la diffusione di sostanze radioattive. Ad esempio, la camera a vuoto e il guscio del ctiostato devono essere completamente sigillati, altrimenti il reattore semplicemente non può funzionare. Tuttavia, durante la progettazione, è stata prestata grande attenzione alla sicurezza dalle radiazioni sia durante il normale funzionamento che durante possibili incidenti.
Fusione termonucleare, la reazione degli isotopi dell'idrogeno, a differenza di una reazione atomica, una reazione termonucleare è una reazione di fusione, alla fine si forma elio e si forma elio con il rilascio di colossale energia termica. La fusione termonucleare può essere ottenuta solo in un dispositivo speciale chiamato tokamak (una camera toroidale con bobine magnetiche), la controparte sovietica è il sincrofasotrone. Esperienze sul campo energia termonucleare iniziò a tenersi in Unione Sovietica negli anni '30 del secolo scorso, ma la questione non è stata ancora del tutto risolta.
L'enorme energia termica è incontrollabile e viene utilizzata solo nelle armi termonucleari. Il progetto del primo reattore termonucleare al mondo è stato avviato già da 10 anni, la costruzione è iniziata in Francia e, secondo gli scienziati, il mondo vedrà la prima fusione termonucleare controllata nel 2026. Se è possibile effettuare la fusione, molto probabilmente i prezzi dell'energia elettrica diminuiranno drasticamente, perché per la fusione termonucleare è necessaria solo acqua ...
Per fare un confronto, diciamo che se 1 bicchiere d'acqua viene sottoposto a fusione termonucleare, allora è possibile fornire elettricità a una piccola città per 1 giorno! Questo è il potere dell'acqua! (più precisamente, idrogeno). Ma oltre alla fusione termonucleare, ci sono molti altri tipi di modi alternativi per produrre elettricità, ma puoi scoprirlo in questa recensione, grazie per la tua attenzione - A. Kasyan.
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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 reattori nucleari nel processo di decadimento - la fusione termonucleare su carta non lascerà praticamente alcun sottoprodotto radioattivo.
I reattori a fusione imitano il processo nucleare all'interno del sole, unendo gli atomi più leggeri e trasformandoli in atomi più pesanti, rilasciando enormi quantità di energia lungo il percorso. Sul Sole, questo processo è guidato dalla forza di gravità. Sulla Terra, gli ingegneri stanno cercando di ricreare le condizioni per la fusione utilizzando estremamente alte temperature- circa 150 milioni di gradi - ma è difficile per loro trattenere il plasma necessario alla fusione degli atomi.
Una delle soluzioni realizzate è rappresentata da ITER, già noto come International Thermonuclear Experimental Reactor, in costruzione dal 2010 a Caradas, in Francia. I primi esperimenti, originariamente previsti per il 2018, sono stati posticipati al 2025.
Solo pochi giorni fa, abbiamo segnalato che il primo
Nell'autunno del 1981, i più grandi scienziati di 27 paesi del mondo vennero a Mosca per la Conferenza Europea sulla Fusione Termonucleare Controllata e la Fisica del Plasma. Il principale risultato della conferenza è la conclusione unanime che la scienza oggi è vicina alla soluzione finale del "problema del secolo" - la fusione termonucleare controllata (CTF). Sulla base di conversazioni con scienziati di primo piano, questa storia è stata preparata.
Molti esperti oggi si chiedono se una centrale termonucleare potrebbe già essere in funzione se per molto tempo la ricerca sulla fusione non è stata tenuta segreta? Se scienziati e ingegneri paesi diversi Fin dall'inizio c'è stata l'opportunità di unire le forze? E sebbene nessuno possa rispondere a questa domanda con assoluta certezza, è chiaro a tutti che il percorso verso "l'Eldorado dell'energia" sarebbe molto più breve.
Perché non tutto è andato come richiesto dai bisogni della gente? Questo problema non è stato discusso direttamente all'ultimo convegno scientifico da termonucleare. Tuttavia, ne possedeva molti. Perché una risposta onesta può aiutare a evitare molti errori in futuro.
Torniamo brevemente alla storia: solo alcune date e fatti. Alla fine degli anni '30 fu scoperta una reazione a catena di fissione nucleare, in cui viene rilasciata un'enorme quantità di energia. Ahimè, in primo luogo non l'hanno usato affatto per i bisogni di energia. Nell'agosto del 1945, gli Stati Uniti lanciarono bombe atomiche sulle città giapponesi di Hiroshima e Nagasaki. Unione Sovietica doveva crearne uno suo arma atomica. È stato testato nel 1949. Ma già nel 1954 nel nostro paese è stata messa in funzione la prima centrale nucleare del mondo, che ha aperto l'era dell'uso pacifico dell'energia nucleare ... Una storia simile con la fusione. La possibilità di ottenere energia dalla fusione dei nuclei è stata teoricamente dimostrata alla fine degli anni '30 (a proposito, l'energia viene rilasciata durante la fusione di circa cento volte in più rispetto alla fissione!). E ancora, le armi termonucleari sono state create per prime. Il lavoro sulle armi termonucleari non solo ha distratto dalla ricerca pacifica del termonucleare, ma ha separato gli scienziati di diversi paesi come un muro bianco: non c'era scambio di informazioni, risultati di ricerca, idee. Qualcuno doveva fare il primo passo avanti. E nel 1956, su iniziativa governo sovietico Il rapporto dell'accademico I. V. Kurchatov, che ha letto nella città inglese di Harwell, ha gettato le basi per uno scambio regolare di informazioni scientifiche al fine di aprire la strada all'uso pacifico dell'energia termonucleare attraverso gli sforzi congiunti di scienziati di diversi paesi. Un anno dopo, gli scienziati sovietici hanno condiviso con i loro colleghi stranieri un'idea che ha determinato la direzione generale dell'assalto al TCB. Il nome delle installazioni basate su questa idea, "Tokamak", è ora incluso in tutti i dizionari scientifici del mondo, proprio come, diciamo, la parola "satellite".
Principalmente su queste installazioni - i leader di oggi nella risoluzione del problema della fusione controllata, sui progetti di nuovi "Tokamak" sono stati discussi all'ultimo, Mosca, forum di scienziati di diversi paesi.
L'idea stessa della fusione nucleare sembra semplice. È necessario forzare i nuclei a convergere a una distanza di circa 10 miliardesimi di millimetro e fondersi, sintetizzare in un nucleo. Nel processo di fusione viene rilasciata un eccesso di energia. In linea di principio, tutti gli elementi dell'inizio della tavola periodica possono essere sintetizzati. Tuttavia, le reazioni di fusione più semplici (più precisamente, relativamente facili) possono andare tra i nuclei degli isotopi dell'idrogeno: deuterio e trizio. Ma per questo è necessario riscaldare la miscela di questi nuclei a 100 milioni di gradi Celsius. E per la reazione di fusione sul deuterio puro, ancora di più - fino a un miliardo!
Qui sta la difficoltà principale. Riscaldare una sostanza a tali temperature è di per sé un compito fantastico! Anche nelle viscere del sole "più fresco" - non più di 20 milioni di gradi. Già a diverse migliaia di gradi, la materia diventa un plasma, un caos di elettroni e nuclei, che corrono e si scontrano a grande velocità all'interno della camera. E questo caos diventa più attivo all'aumentare della temperatura. Quale briglia può trattenerlo a decine di milioni di gradi? Sul Sole, questa è una gigantesca forza gravitazionale. E sulla Terra, in un'installazione artificiale?... L'insidiosità del plasma sta anche nel fatto che, per la sua elevata conducibilità termica, cede istantaneamente la sua energia alle pareti della camera e si raffredda. Come ha giustamente notato il noto fisico sovietico Professor D. Frank-Kamensky, riscaldare il plasma in un recipiente chiuso a milioni di gradi è lo stesso che far bollire l'acqua in un bicchiere... dal ghiaccio!
Quindi, il compito principale è riscaldare il plasma fino a temperatura desiderata e non lasciare che tocchi le pareti per tutto il tempo necessario affinché un numero sufficiente di nuclei di deuterio e trizio reagisca e si verifichi una reazione con rilascio di enorme energia.
La soluzione a questo problema è l'idea che il modo migliore funziona in installazioni "Tokamak". (Questa parola è formata dalle prime sillabe del nome dell'installazione "TOROIDAL CAMERA WITH A MAGNETIC FIELD") È noto dalla fisica della scuola che una particella carica non può muoversi attraverso una linea di campo magnetico. In un campo magnetico uniforme, le particelle si muovono lungo le linee di forza, ruotando attorno ad esse. Pertanto, se viene creato un sistema di linee di campo magnetico chiuse, in linea di principio è possibile mantenere il plasma in un certo volume limitato con l'aiuto di queste linee. In senso figurato, i "palmi" invisibili dei campi magnetici sono in grado di trattenere il calore supersolare! "Tokamak" doveva diventare una briglia affidabile per le particelle, "spaventata" dall'incredibile, fantastico calore.
Cos'è strutturalmente un "Tokamak"? Esternamente, sembra un grande trasformatore con un nucleo chiuso in ferro e un avvolgimento attraverso il quale viene fatta passare una corrente molto forte. Invece dell'avvolgimento secondario del trasformatore, c'è una camera toroidale cava che ricorda una grande ciambella. All'interno di questa camera si ottiene il passaggio della materia allo stato plasma. Il plasma viene riscaldato alla temperatura richiesta da una forte scarica elettrica, potenti correnti a microonde e altri metodi. E un forte campo magnetico comprime il plasma in un denso filamento anulare.
Quando conosci schema elettrico"Tokamak", sei stupito dalla sua semplicità: sembra che anche in un libro di testo scolastico diano schemi più complicati. In parole povere, è così, se dimentichiamo per un po' il vero dispositivo, il design che richiede materiali unici; dimentica quella sostanza inimmaginabilmente calda che viene addomesticata nella "ciambella". Quindi già nei primissimi esperimenti è apparso chiaro che il plasma non vuole riconoscere le pareti magnetiche. In modo incomprensibile, riesce a fuoriuscire prima di poter essere riscaldato alla temperatura richiesta. I fisici stavano cercando un mezzo per sopprimere l'instabilità del plasma, rielaborare l'installazione, aumentare la temperatura e ... ancora, il plasma ha trovato un nuovo modo per sfuggire alla prigionia magnetica! È come un viaggio in montagna: si prende un'altra vetta difficile, ma dalla sua altezza si aprono allo sguardo nuovi passi, gole, abissi, che devono essere superati sulla via della meta...
Per tre decenni, la maggior parte del difficile percorso è stata percorsa. Ciascuna delle sue fasi non sono giorni o mesi, ma anni di esperimenti persistenti e complessi, calcoli, dozzine di fallimenti deludenti e brillanti successi. E per ogni problema che doveva essere risolto, si poteva usare la parola "per la prima volta".
Ad esempio, per la prima volta è stato necessario imparare a creare un campo magnetico super forte in camere abbastanza grandi. E il campo dentro il grado più alto simmetrico. Con una deviazione della simmetria anche di una frazione di millimetro, il plasma ha cercato di sfondare le pareti della camera e raffreddarsi.
C'è stato anche un periodo in cui il plasma, trattenuto in modo affidabile dal campo magnetico, non voleva riscaldarsi al di sopra di pochi milioni di gradi. Alla fine, si è scoperto che le impurità trascurabilmente piccole degli elementi pesanti nel plasma sono responsabili di tutto. Ma come sono arrivati alla telecamera? C'era un presupposto: evaporano dalla superficie del metallo. da cui sono fatte le pareti della camera. Di conseguenza, gli elettroni del plasma vengono decelerati nel campo elettrico di questi elementi, perdono la loro energia, il che porta a una diminuzione della temperatura ... Ci sono voluti molti anni per capire e, soprattutto, eliminare questa causa.
Che dire del problema della cosiddetta prima parete del reattore? Immagina, ci sono milioni di gradi nella camera dietro questo muro! Non evapora istantaneamente perché, come sappiamo, il plasma è "avvolto" da un campo magnetico invisibile. Ma potenti flussi di neutroni cadono sul muro dall'interno! Il materiale della parete deve essere estremamente resistente per non collassare sotto l'azione delle alte temperature e dei neutroni, ma allo stesso tempo essere il più "trasparente" possibile rispetto agli stessi neutroni! Dopotutto, sono loro che estraggono dalla camera l'energia stessa della fusione termonucleare, che intendiamo convertire ulteriormente in calore ed elettricità. se la parete non è "trasparente", l'energia desiderata rimarrà all'interno della "ciambella". Questi sono i requisiti paradossali che il materiale della prima parete del reattore deve soddisfare. È come rendere un muro di mattoni trasparente ai proiettili di artiglieria. Le abbiamo sparato accuratamente con un milione di proiettili, ma è intatta, non un solo buco.
La creazione di potenti campi magnetici fa la parte del leone dell'energia consumata dal Tokamak, e finora ci vuole più di quella che dà. Come ridurre gli appetiti energetici?
Una soluzione al problema è la superconduttività. È noto che a temperature prossime allo zero assoluto, la resistenza elettrica di alcuni conduttori diventa infinitamente piccola. La corrente, una volta lanciata nell'anello di tale conduttore, può circolare in esso per tutto il tempo che si desidera, quasi senza perdite. Per studiare praticamente la possibilità di utilizzare la superconduttività nei "Tokamak", gli scienziati dell'Istituto energia atomica intitolato a I. V. Kurchatov, hanno costruito l'installazione Tokamak-7, le cui bobine magnetiche sono realizzate con materiali superconduttori. È stata un'esperienza unica principalmente per ingegneri e scienziati dei materiali. Il fatto è che i campi magnetici più forti nel Tokamak diventano nemici della superconduttività e la distruggono. Qui è stato necessario creare e testare leghe superconduttrici magneticamente resistenti molto speciali. Rispetto a un sistema magnetico convenzionale, gli avvolgimenti superconduttori del T-7 hanno permesso di ridurre di circa 100 volte la potenza assorbita dalla rete!
Nel 1975, l'installazione Tokamak-10 è stata messa in funzione presso l'Institute of Atomic Energy. Su questa installazione, è stato possibile ottenere plasma con una temperatura record per quel tempo - 15 milioni di gradi Celsius! Qui, per la prima volta, sono apparsi segnali attendibili che una reazione termonucleare si è "accesa" nella camera, anche se solo con le prime scintille. Sì, una scintilla può accendere un fuoco. Tuttavia, anche un centinaio di singole scintille non è ancora un falò. Le scintille termonucleari si sono spente. Ma già con il loro aspetto hanno convinto i fisici di tutto il mondo della correttezza del percorso scelto.
Ora una nuova installazione - "Tokamak-15" - è in costruzione presso l'Istituto di Energia Atomica. Il volume della "ciambella" al plasma al suo interno sarà circa cinque volte maggiore rispetto al T-10. Perché è necessario? Il fatto è che con un aumento del volume della camera aumenta il numero di particelle e, di conseguenza, la probabilità delle loro collisioni, che provocano una reazione. Il plasma nel T-15 si riscalderà fino a 70-80 milioni di gradi: questo è già molto vicino a quanto richiesto. Gli avvolgimenti delle bobine magnetiche del T-15 saranno superconduttori. Ciò ridurrà notevolmente il consumo di energia.
Gli esperimenti sul T-15 e altri "Tokamak", come sperano gli scienziati, dovrebbero finalmente confermare la fattibilità di una reazione di fusione autosufficiente. Se tutto va bene, resta da fare l'ultimo passo sulla strada delle centrali termonucleari. In quest'ultima fase, si dovrebbe ottenere una risposta alla domanda: cosa e come si dovrebbe fare per raccogliere l'energia termica dei neutroni e, dopo averla convertita in elettricità, inviarla a fabbriche, città, villaggi.
Padroneggiare l'energia della fusione nucleare, padroneggiare una fonte di energia davvero inesauribile è un compito grandioso. Il progresso di tutta l'umanità dipende dal successo della sua soluzione. Pertanto, è meglio risolvere questo problema insieme, con l'aiuto di tutti i paesi che hanno le capacità scientifiche e tecniche necessarie a questo scopo. È particolarmente importante unire gli sforzi nella fase attuale della ricerca, la fase più importante e, forse, la più difficile, che richiede enormi costi di materiale.
Nel 1978 a Vienna, in una riunione dell'Agenzia internazionale per l'energia atomica, il capo del programma termonucleare sovietico, l'accademico E.P. Velikhov, parlò e, a nome del governo sovietico, propose che specialisti dei paesi leader progettassero e costruissero congiuntamente una grande dimostrazione reattore tokamak. Il significato di questo discorso, così come il discorso di I. V. Kurchatov nel 1956, difficilmente può essere sopravvalutato. Questo è un passo verso una nuova fase di cooperazione pacifica nel campo della fusione. La proposta fu accettata e i partecipanti alla costruzione del primo reattore termonucleare internazionale in assoluto includevano l'URSS, gli Stati Uniti, il Giappone e dieci dei più paesi sviluppati Europa occidentale. INTOR - questo è il nome dato al futuro reattore dalle prime lettere nome inglese- Reattore Tokamak internazionale.
Che aspetto avrà INTOR?
Esternamente, assomiglierà ai suoi predecessori della famiglia Tokamaks: T-10, T-15 e le loro controparti straniere, diverse da loro grandi formati. Il volume di plasma in INTOR sarà circa 5 volte maggiore rispetto ai Tokamak dell'attuale generazione e, come già sappiamo, ciò aumenta la probabilità di accensione di una reazione termonucleare. In 5-6 secondi, il plasma verrà riscaldato a una temperatura superiore a 100 milioni di gradi. Entro 100 secondi, nella camera avverrà una reazione termonucleare, liberando un'energia pari a quella degli attuali reattori nucleari di media potenza - circa 600 MW. (Per fare un confronto, vi ricordo che la potenza della prima centrale nucleare era di 5 MW.) Quindi la reazione verrà interrotta per rimuovere i prodotti della combustione (principalmente nuclei di elio) dalla camera, che inquinano la camera. Quindi una porzione di combustibile termonucleare verrà nuovamente iniettata e il ciclo si ripeterà.
Forse la caratteristica principale di INTOR è quella. che qui, per la prima volta, verranno effettuati seri test ed elementi di sistemi che consentono di utilizzare praticamente l'energia della fusione termonucleare. Tali sistemi sono chiamati "coperte" (da parola inglese coperta - una coperta.) Nel caso più semplice, una coperta è un guscio cavo che circonda il reattore, all'interno del quale circola un liquido, diciamo la stessa acqua. I neutroni che nascono durante la reazione e portano l'energia della fusione termonucleare verranno assorbiti dal liquido e gli daranno la loro energia, riscaldandolo. E poi secondo il solito schema, come nelle centrali termiche o nucleari: l'acqua, scaldandosi, si trasforma in vapore, che mette in moto una turbina con un generatore elettrico.
La coperta INTOR dovrebbe aiutare a risolvere un altro problema importante.
Abbiamo già detto che all'inizio i reattori termonucleari funzioneranno su una miscela di deuterio e trizio - per una tale miscela, la temperatura di accensione è richiesta inferiore rispetto al deuterio puro. Sorge la domanda: qual è la situazione con le risorse di questo carburante? Quanto al deuterio. allora è disponibile in abbondanza acqua di mare, un intero oceano, non abbastanza per un secolo. Dove puoi trovare il trizio? In natura. come sai, è estremamente piccolo.
Anche la fisica nucleare ha suggerito una via d'uscita. Puoi ottenere il trizio artificialmente da un altro elemento chimico, che è abbastanza sulla terra - litio, irradiandolo con neutroni. E questo è molto importante, può essere fatto nello stesso reattore termonucleare. Questa è precisamente la seconda importante funzione della coperta: il litio in essa contenuto verrà trasformato in trizio.
Quindi, in teoria, il reattore non dovrebbe solo generare energia, ma anche fornirsi di combustibile, come sta accadendo ora, tra l'altro, nelle centrali nucleari a neutroni veloci.
L'assalto al problema della fusione nucleare controllata si svolge ora su un ampio fronte. A l'anno scorso risultati incoraggianti sono stati ottenuti anche in altre aree di ricerca. Si possono nominare, in particolare, opzioni come la "fusione laser", quando il combustibile termonucleare viene riscaldato da tutti i lati da potenti raggi laser. O "termonucleare elettronico". dove lavorano potenti fasci di elettroni invece di raggi laser.
È ancora troppo presto per parlare di come queste idee verranno attuate nella pratica. I "Tokamak" hanno avvicinato gli scienziati più di chiunque altro alla risoluzione del problema della fusione controllata. Ed è in questa direzione che oggi si concentrano gli sforzi e i mezzi principali, che avvicinano alla padronanza di una fonte di energia praticamente inesauribile.
La fisica, sebbene sia, per così dire, una scienza sul mondo circostante, è ancora abbastanza lontana dall'ordinario, cioè è lontana dagli interessi della gente comune. Le persone insolite si concentrano sulla fisica. Se guardi le biografie dei "grandi fisici" completamente immersi nei problemi dello spazio, puoi vedere che alcuni di loro erano clienti di psichiatri, altri lo evitavano, nonostante avessero comportamenti strani. Tuttavia, questi "grandi fisici" sono principalmente teorici, cosmologi, matematici, la loro definizione generale è . C'è in una grande comunità di fisici e abbastanza mentalmente gente normale, ma si tratta di fannulloni, amanti della “dolce vita”, che si sono adattati a “visto” il denaro dello Stato, promettendo allo Stato una varietà di benefici “consumati dalla natura” influenzandolo con varie folli teorie precedentemente sviluppate da “ Scienziati britannici”.
Ci sono molte linee di attività di questi fisici senza uscita senso fisico, ma fertile nel senso del denaro. Una di queste aree di attività dei “segatori” del bilancio è la realizzazione di un reattore termonucleare.
Naturalmente, la storia della creazione di reattori termonucleari è iniziata sotto forma di progetti abbastanza scientifici.
Nel 1949 fu testata una bomba atomica sovietica, una copia di quella americana. Ma gli strateghi sovietici volevano qualcosa di ancora più potente e spaventoso per i nemici.
I teorici all'inizio del XX secolo hanno deciso che la fonte di energia più efficiente sono le reazioni termonucleari, che, a loro avviso, forniscono l'energia delle stelle, incluso il Sole. . Le reazioni termonucleari hanno luogo solo nei bagliori del Sole, nelle esplosioni di stelle Nuove e Supernova.
Sakharov credeva nella fusione termonucleare e stava lavorando a quella che credeva sarebbe stata una bomba termonucleare. In effetti, ha creato un più potente bomba atomica, a causa dell'aggiunta di trizio e deuteruro di litio-6 alla sua composizione ...
La fusione termonucleare non ha funzionato, ma la potenza dell'esplosione della bomba Sakharov si adattava sia agli strateghi militari che ai fisici. La bomba fu dichiarata idrogeno e, come mito, iniziò a diffondersi la versione che fosse termonucleare. Segreto! Chi controllerà!
Molti fisici credevano nella possibilità di una fusione termonucleare incontrollata sulla Terra, quindi l'idea di ottenere energia con l'aiuto di una reazione termonucleare controllata ha ricevuto pubblicità sulla stampa e sostegno finanziario.
Sacharov ha deciso che era possibile esplodere in piccolo bombe all'idrogeno e utilizzare il calore rilasciato. A lui, ovviamente, non interessava il fatto che la produzione di trizio energeticamente ed economicamente non avrebbe ripagato l'energia ottenuta in questo modo.
Allo stesso tempo, un certo sergente Oleg Lavrentiev, in una lettera a Stalin, propose di mantenere il plasma all'interno della camera elettrostaticamente. Beria ha discusso la lettera di Lavrentiev con Tamm e Sacharov, che hanno affermato che sarebbe stato meglio usare un campo magnetico per confinare il plasma.
Kurchatov ha incaricato Artsimovich di guidare il lavoro sulla fusione termonucleare controllata.
Artsimovich ha scoperto ciò che sanno tutti quelli che hanno visto un fulmine, cioè ha scoperto che potenti scariche di corrente nel deuterio creano un cavo sottile. La corda pulsava, comprimendosi e aprendosi... Sulla corda, designata, per così dire, scientificamente, pizzicavano, durante la seconda ondata di corrente apparivano dei nodi ed erano le sorgenti di neutroni. () Sono stati emessi anche potenti raggi X.
Poi viene la storia dei tokamak. Dagli anni '50 a inizio III quasi tre dozzine di loro sono state prodotte per millenni. Le loro dimensioni, naturalmente, e il loro costo aumentavano nella speranza che il prossimo tokamak potesse finalmente produrre non solo neutroni, ma anche elio, cioè la fusione termonucleare si sarebbe finalmente realizzata... Ma invano. L'elio non è mai stato rilevato negli esperimenti descritti, cioè non c'è stata alcuna reazione termonucleare e no.
Se prima del 1961 gli esperimenti con i tokamak possono ancora essere considerati scientifici, gli "esperimenti" successivi sono un puro "taglio" del budget.
Nel 1961 l'accademico B.P. Konstantinov ha detto ad Artsimovich nel suo appello "Perché la centrale termonucleare non sarà costruita né nel 1980 né nel 2000" che le sue attività non sono solo inutili, ma anche dannose.
Konstantinov ha spiegato che la reazione del deuterio con il deuterio non può essere sostituita dalla reazione del deuterio con il trizio. Il trizio non esiste in natura, deve essere prima prodotto nei reattori nucleari. Nella reazione del deuterio con il trizio, i neutroni veloci portano via rapidamente energia, distruggendo tutto sul loro cammino, nessuna camera può resistere a questo, verranno rapidamente distrutti e il plasma che non può essere reso stabile romperà le pareti e inquinerà ambiente, principalmente centinaia di chilogrammi di trizio radioattivo.
Naturalmente, nessuno ha iniziato ad ascoltare Konstantinov e altri come lui. Intorno alla "fusione termonucleare" si è formata un'enorme mafia internazionale di "segatori di bilancio", hanno costruito, stanno costruendo e continueranno a costruire i loro inutili "reattori a fusione". In teoria i legislatori possono fermarli, ma i legislatori possono fare qualcosa, e poi in teoria, solo nei loro paesi, e la mafia scientifica è internazionale. Ma anche in alcuni paesi i politici salgono al potere solo per fare soldi, quindi la mafia li compra facilmente e non c'è luce in questo, però, come in molti altri ambiti di attività “scientifica”.
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“Abbiamo detto che avremmo messo il Sole in una scatola. L'idea è fantastica. Ma il problema è che non sappiamo come creare questa scatola." - Pierre Gilles de Gennes, Premio Nobel per la Fisica 1991.
Mentre ci sono alcuni elementi pesanti necessari per le reazioni nucleari sulla Terra e nello spazio in generale, ci sono molti elementi leggeri per le reazioni termonucleari sia sulla Terra che nello spazio. Pertanto, l'idea di utilizzare l'energia termonucleare a beneficio dell'umanità è nata quasi immediatamente con la comprensione dei processi sottostanti: ciò prometteva possibilità davvero illimitate, poiché le riserve di combustibile termonucleare sulla Terra avrebbero dovuto essere sufficienti per decine di migliaia di anni per venire.
Già nel 1951 apparvero due direzioni principali nello sviluppo dei reattori termonucleari: Andrei Sakharov e Igor Tamm svilupparono l'architettura tokamak in cui la camera di lavoro era un toro, mentre Lyman Spitzer proponeva un'architettura dal design più intricato nella forma più che ricorda un striscia di Möbius invertita non solo una, ma più volte.
La semplicità del design fondamentale del tokamak lo ha reso possibile a lungo sviluppare questa direzione migliorando le caratteristiche dei magneti convenzionali e superconduttori, nonché aumentando gradualmente le dimensioni del reattore. Ma con un aumento dei parametri del plasma, iniziarono gradualmente a manifestarsi problemi con il suo comportamento instabile, che rallentarono il processo.
La complessità del design dello stellatore ha portato completamente al fatto che dopo i primi esperimenti negli anni '50, lo sviluppo di questa direzione si è interrotto per molto tempo. Ha ricevuto un nuovo respiro abbastanza recentemente con l'avvento dei moderni sistemi di progettazione assistita da computer, che hanno permesso di progettare lo stellatore Wendelstein 7-X con i parametri e l'accuratezza del design necessari per il suo funzionamento.
Gli atomi di ferro hanno un'energia di legame massima per nucleone, cioè una misura dell'energia che deve essere spesa per dividere un atomo nei suoi neutroni e protoni costituenti, divisa per il loro numero totale. Tutti gli atomi con massa sempre maggiore hanno questo indicatore sotto il ferro:
Allo stesso tempo, nelle reazioni di fusione termonucleare degli atomi leggeri, fino al ferro, viene rilasciata energia e la massa dell'atomo risultante diventa leggermente inferiore alla somma delle masse degli atomi iniziali di una quantità corrispondente all'energia rilasciata secondo alla formula E = mc² (il cosiddetto difetto di massa). Allo stesso modo, l'energia viene rilasciata durante le reazioni di fissione nucleare di atomi più pesanti del ferro.
Durante le reazioni di fusione degli atomi viene rilasciata un'enorme energia, ma per estrarre questa energia, dobbiamo prima fare un certo sforzo per superare le forze repulsive tra i nuclei atomici che sono carichi positivamente (per superare la barriera di Coulomb). Dopo che siamo riusciti ad avvicinare una coppia di atomi alla distanza richiesta, entra in gioco la forza nucleare forte, che lega neutroni e protoni. Per ogni tipo di combustibile, la barriera Coulomb per avviare la reazione è diversa così come la temperatura di reazione ottimale:
In questo caso, le prime reazioni termonucleari degli atomi iniziano a registrarsi molto prima del raggiungimento temperatura media sostanze di questa barriera per il fatto che l'energia cinetica degli atomi è soggetta alla distribuzione di Maxwell:
Ma la reazione a una temperatura relativamente bassa (dell'ordine di diversi milioni di °C) è estremamente lenta. Diciamo quindi che al centro la temperatura raggiunge i 14 milioni di °C, ma la potenza specifica di una reazione termonucleare in tali condizioni è di soli 276,5 W/m³, e il Sole ha bisogno di diversi miliardi di anni per consumare completamente il suo combustibile. Tali condizioni sono inaccettabili per un reattore termonucleare, poiché con un livello di rilascio di energia così basso, spenderemo inevitabilmente di più per riscaldare e comprimere il combustibile termonucleare di quanto riceveremo in cambio dalla reazione.
Quando la temperatura del combustibile aumenta, una proporzione crescente di atomi inizia ad avere energia che supera la barriera di Coulomb e l'efficienza della reazione cresce, raggiungendo il suo picco. Con un ulteriore aumento della temperatura, la velocità di reazione ricomincia a diminuire, già a causa del fatto che l'energia cinetica degli atomi diventa troppo grande e questi "scivolano" l'uno sull'altro, incapaci di aggrapparsi all'interazione nucleare forte.
Pertanto, la soluzione su come ottenere energia da una reazione termonucleare controllata è stata ottenuta abbastanza rapidamente, ma l'attuazione di questo compito si è trascinata per mezzo secolo e non è stata ancora completata. La ragione di ciò risiede nelle condizioni davvero folli in cui si è rivelato necessario posizionare il combustibile termonucleare: per una resa positiva dalla reazione, la sua temperatura doveva essere di diverse decine di milioni di °C.
Nessuna parete poteva sopportare fisicamente una tale temperatura, ma questo problema ha portato quasi immediatamente alla sua soluzione: poiché la sostanza riscaldata a tali temperature è un plasma caldo (gas completamente ionizzato) che si carica positivamente, la soluzione si è rivelata giacente in superficie - abbiamo dovuto posizionare un plasma così riscaldato in un forte campo magnetico che conterrà il combustibile di fusione distanza di sicurezza dalle pareti.
La ricerca su questo argomento va in più direzioni contemporaneamente:
Nonostante tutte le difficoltà e i problemi che si pongono sulla strada per una reazione termonucleare controllata, questa storia si sta già avvicinando al suo finale. Nel settore energetico, è consuetudine utilizzare l'indicatore EROEI - ritorno energetico sull'investimento energetico (il rapporto tra l'energia spesa nella produzione di carburante e la quantità di energia che ne riceviamo di conseguenza) per calcolare l'efficienza del carburante. E mentre l'EROEI del carbone continua a crescere, questo indicatore per petrolio e gas ha raggiunto il picco a metà del secolo scorso ed è ora in costante calo per il fatto che nuovi giacimenti di questi combustibili si trovano in luoghi sempre più remoti e a profondità sempre maggiori :
Allo stesso tempo, non possiamo nemmeno aumentare la produzione di carbone per il motivo che ottenere energia da esso è un processo molto sporco e prende letteralmente la vita delle persone in questo momento da varie malattie polmoni. In un modo o nell'altro, siamo ormai alle soglie del declino dell'era dei combustibili fossili - e queste non sono le macchinazioni degli ambientalisti, ma banali calcoli economici quando si guarda al futuro. Allo stesso tempo, l'EROI dei reattori termonucleari sperimentali, anch'esso apparso a metà del secolo scorso, è cresciuto costantemente e nel 2007 ha raggiunto la barriera psicologica di uno - ovvero, quest'anno, per la prima volta, l'umanità è riuscita a ottenere più energia attraverso una reazione termonucleare di quanta ne abbia speso per la sua attuazione. E nonostante il fatto che l'implementazione del reattore, gli esperimenti con esso e la produzione della già prima centrale termonucleare dimostrativa DEMO sulla base dell'esperienza acquisita durante l'implementazione di ITER richiederanno molto tempo. Non c'è più alcun dubbio che il nostro futuro sia dietro a tali reattori.
La principale critica alla ricerca nel campo dei reattori a fusione si basa sul fatto che la ricerca è estremamente lenta. Ed è vero: dai primi esperimenti alla produzione di una reazione termonucleare di pareggio, ci sono voluti ben 66 anni. Ma il nocciolo del problema qui è che i finanziamenti per tale ricerca non hanno mai raggiunto il livello richiesto: ecco un esempio di stime dell'Amministrazione per la ricerca e lo sviluppo dell'energia degli Stati Uniti sul livello di finanziamento di un progetto di reattore a fusione e sul tempo del suo completamento :
Come puoi vedere da questo grafico, non sorprende che non abbiamo ancora reattori a fusione commerciali che producono elettricità, ma che al momento siamo stati in grado di ottenere una produzione di energia positiva dai reattori sperimentali.
