Gerenciou fusão termonuclear- um processo físico interessante, que (até agora em teoria) pode livrar o mundo da dependência energética de combustíveis fósseis. O processo é baseado na síntese de núcleos atômicos de núcleos mais leves para núcleos mais pesados com liberação de energia. Ao contrário de outro uso do átomo - a liberação de energia dele em reatores nucleares no processo de decaimento - a fusão termonuclear no papel praticamente não deixará subprodutos radioativos. Esperanças particulares são colocadas no reator ITER, cuja criação custou uma quantia insana de dinheiro. Os céticos, no entanto, confiam no desenvolvimento de corporações privadas.
Em 2018, os cientistas deram a notícia de que, apesar das preocupações com aquecimento global, o carvão gerou 38% da eletricidade mundial em 2017 - exatamente a mesma quantidade de quando surgiram os primeiros alertas climáticos, 20 anos atrás. Pior ainda, as emissões de gases de efeito estufa aumentaram 2,7% no ano passado, o maior aumento em sete anos. Essa estagnação levou até mesmo políticos e ambientalistas a pensar que precisamos de mais energia nuclear.
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E CIÊNCIA DA FEDERAÇÃO RUSSA
Agência Federal de Educação
SEI HPE "Blagoveshchensk State Pedagogical University"
Faculdade de Física e Matemática
Departamento de Física Geral
trabalho do curso
sobre o tema: Problemas de fusão termonuclear
disciplina: Física
Artista: V. S. Kletchenko
Chefe: V. A. Evdokimova
Blagoveshchensk 2010
Introdução
Reações termonucleares e sua eficiência energética
Condições para a ocorrência de reações termonucleares
Realização de reações termonucleares em condições terrestres
Os principais problemas associados à implementação de reações termonucleares
Implementação de reações termonucleares controladas em instalações do tipo TOKAMAK
projeto ITER
Estudos modernos de plasma e reações termonucleares
Conclusão
Literatura
Introdução
Atualmente, a humanidade não consegue imaginar sua vida sem eletricidade. Ela está em toda parte. Mas os métodos tradicionais de geração de eletricidade não são baratos: imagine a construção de uma usina hidrelétrica ou de um reator de usina nuclear, imediatamente fica claro o porquê. Cientistas do século 20, diante de uma crise energética, encontraram uma forma de gerar eletricidade a partir da matéria, cuja quantidade não é limitada. As reações termonucleares ocorrem durante o decaimento do deutério e do trítio. Um litro de água contém tanto deutério que a fusão termonuclear pode liberar tanta energia quanto a obtida pela queima de 350 litros de gasolina. Ou seja, podemos concluir que a água é uma fonte ilimitada de energia.
Se obter energia com a ajuda da fusão termonuclear fosse tão simples quanto com a ajuda de hidrelétricas, a humanidade jamais passaria por uma crise no setor energético. Para obter energia dessa maneira, é necessária uma temperatura equivalente à temperatura no centro do sol. Onde obter essa temperatura, quanto custará as instalações, quão lucrativa é essa produção de energia e essa instalação é segura? Essas perguntas serão respondidas no presente trabalho.
Objetivo do trabalho: estudo das propriedades e problemas da fusão termonuclear.
Reações termonucleares e sua eficiência energética
Reação termonuclear - síntese de núcleos atômicos mais pesados a partir de núcleos mais leves para obtenção de energia, que é controlada.
Sabe-se que o núcleo do átomo de hidrogênio é um próton p. Existe muito desse hidrogênio na natureza - no ar e na água. Além disso, existem isótopos mais pesados de hidrogênio. O núcleo de um deles contém, além do próton p, também o nêutron n. Esse isótopo é chamado de deutério D. O núcleo de outro isótopo contém, além do próton р, dois nêutrons n e é chamado de tritério (trítio) Т, a energia liberada durante a fissão de núcleos pesados. Na reação de fusão, é liberada energia, que, por 1 kg de substância, é muito maior que a energia liberada na reação de fissão do urânio. (Aqui, a energia liberada refere-se à energia cinética das partículas formadas como resultado da reação.) Por exemplo, na reação da fusão dos núcleos de deutério 1 2 D e trítio 1 3 T em um núcleo de hélio 2 4 He :
1 2 D + 1 3 T → 2 4 He + 0 1 n,
A energia liberada é aproximadamente igual a 3,5 MeV por núcleon. Nas reações de fissão, a energia por núcleon é de cerca de 1 MeV.
Na síntese de um núcleo de hélio a partir de quatro prótons:
4 1 1 p→ 2 4 Não + 2 +1 1 e,
ainda mais energia é liberada, igual a 6,7 MeV por partícula. A vantagem energética das reações termonucleares é explicada pelo fato de que a energia de ligação específica no núcleo de um átomo de hélio excede significativamente a energia de ligação específica dos núcleos dos isótopos de hidrogênio. Assim, com a implementação bem-sucedida de reações termonucleares controladas, a humanidade receberá uma nova fonte poderosa energia.
Condições para a ocorrência de reações termonucleares
Para a fusão de núcleos leves, é necessário vencer a barreira de potencial causada pela repulsão coulombiana de prótons em núcleos com carga positiva semelhante. Para a fusão dos núcleos de hidrogênio 1 2 Dx, é necessário aproximá-los a uma distância r, igual a aproximadamente r ≈ 3 10 -15 m. Para fazer isso, você precisa fazer um trabalho igual à energia potencial eletrostática de repulsão P \u003d e 2: (4πε 0 r) ≈ 0,1 MeV. Os núcleos de deuteron serão capazes de superar tal barreira se sua energia cinética média 3/2 kT for igual a 0,1 MeV durante a colisão. Isso é possível em T = 2 10 9 K. Na prática, a temperatura necessária para a ocorrência de reações termonucleares diminui em duas ordens de grandeza e chega a 10 7 K.
Uma temperatura de cerca de 10 7 K é típica para a parte central do Sol. A análise espectral mostrou que a matéria do Sol, como muitas outras estrelas, contém até 80% de hidrogênio e cerca de 20% de hélio. Carbono, nitrogênio e oxigênio representam não mais do que 1% da massa das estrelas. Com uma enorme massa do Sol (≈ 2 10 27 kg), a quantidade desses gases é bastante grande.
As reações termonucleares ocorrem no Sol e nas estrelas e são a fonte de energia que fornece sua radiação. A cada segundo, o Sol irradia energia de 3,8 10 26 J, o que corresponde a uma diminuição de sua massa em 4,3 milhões de toneladas. Liberação específica de energia solar, ou seja, a liberação de energia por unidade de massa do Sol em um segundo é igual a 1,9 10 -4 J/s kg. É muito pequena e equivale a cerca de 10 -3% da energia específica liberada em um organismo vivo no processo de metabolismo. O poder de radiação do Sol não mudou muito ao longo dos muitos bilhões de anos de existência do sistema solar.
Uma das formas de reações termonucleares no Sol é o ciclo carbono-nitrogênio, no qual a combinação de núcleos de hidrogênio em um núcleo de hélio é facilitada na presença de núcleos de carbono 6 12 C que desempenham o papel de catalisadores. No início do ciclo, um próton rápido penetra no núcleo do átomo de carbono 6 12 C e forma um núcleo instável do isótopo de nitrogênio 7 13 N com radiação quântica γ:
6 12 С + 1 1 p → 7 13 N + γ.
Com uma meia-vida de 14 minutos, a transformação 1 1 p→ 0 1 n + +1 0 e + 0 0 ν e ocorre no núcleo 7 13 N e o núcleo do isótopo 6 13 C é formado:
7 13 N → 6 13 С + +1 0 e + 0 0 ν e.
aproximadamente a cada 32 milhões de anos, o núcleo 7 14 N captura um próton e se transforma em um núcleo de oxigênio 8 15 O:
7 14 N+ 1 1 p→ 8 15 O + γ.
Um núcleo instável de 8 15 O com meia-vida de 3 minutos emite um pósitron e um neutrino e se transforma em um núcleo de 7 15 N:
8 15 О→ 7 15 N+ +1 0 e+ 0 0 ν e.
O ciclo termina com a reação de absorção de um próton pelo núcleo 7 15 N com seu decaimento em um núcleo de carbono 6 12 С e uma partícula α. Isso acontece depois de cerca de 100 mil anos:
7 15 N+ 1 1 p → 6 12 С + 2 4 He.
Um novo ciclo recomeça com a absorção de um próton 6 12 C pelo carbono, que sai em média após 13 milhões de anos. As reações individuais do ciclo são separadas no tempo por intervalos que são proibitivamente grandes nas escalas de tempo terrestres. No entanto, o ciclo é fechado e ocorre continuamente. Portanto, várias reações do ciclo ocorrem no Sol simultaneamente, começando em momentos diferentes.
Como resultado desse ciclo, quatro prótons se fundem em um núcleo de hélio com o aparecimento de dois pósitrons e radiação γ. A isso deve ser adicionada a radiação proveniente da fusão de pósitrons com elétrons de plasma. A formação de um átomo de hélio gama libera 700 mil kWh de energia. Essa quantidade de energia compensa a perda de energia solar por radiação. Os cálculos mostram que a quantidade de hidrogênio disponível no Sol será suficiente para suportar reações termonucleares e radiação solar por bilhões de anos.
Realização de reações termonucleares em condições terrestres
A implementação de reações termonucleares em condições terrestres criará grandes oportunidades para obtenção de energia. Por exemplo, ao usar o deutério contido em um litro de água, será liberada em uma reação de fusão a mesma quantidade de energia que será liberada na queima de cerca de 350 litros de gasolina. Mas se a reação termonuclear ocorrer espontaneamente, ocorrerá uma explosão colossal, pois a energia liberada nesse caso é muito grande.
Condições próximas às que se realizam nas entranhas do Sol foram realizadas em uma bomba de hidrogênio. Há uma reação termonuclear autossustentável de natureza explosiva. Explosivoé uma mistura de deutério 1 2 D com trítio 1 3 T. A alta temperatura necessária para que a reação ocorra é obtida devido à explosão do usual bomba atômica colocado dentro termonuclear.
Os principais problemas associados à implementação de reações termonucleares
Em um reator de fusão, a reação de fusão deve ser lenta e deve ser possível controlá-la. O estudo das reações que ocorrem no plasma de deutério em alta temperatura é a base teórica para a obtenção de reações termonucleares controladas artificialmente. A principal dificuldade é manter as condições necessárias para obter uma reação termonuclear autossustentável. Para tal reação, é necessário que a taxa de liberação de energia no sistema onde ocorre a reação não seja menor que a taxa de remoção de energia do sistema. Em temperaturas da ordem de 10 8 K, as reações termonucleares em um plasma de deutério têm uma intensidade notável e são acompanhadas pela liberação de grande energia. Em uma unidade de volume de plasma, quando os núcleos de deutério são combinados, uma potência de 3 kW/m 3 é liberada. Em temperaturas da ordem de 10 6 K, a potência é de apenas 10 -17 W/m 3 .
O acidente na usina japonesa de Fukushima pela segunda vez demonstrou ao mundo inteiro o perigo da energia nuclear. Manifestações foram realizadas em países europeus contra o uso de usinas nucleares. E, no entanto, não há razão para acreditar que as usinas nucleares não serão mais construídas. Os habitantes da Terra consomem cada vez mais energia. Para algumas regiões onde as reservas de carvão natural, petróleo e gás são mínimas, a energia nuclear é essencial. Infelizmente, fontes alternativas de energia, como luz solar, vento, ondas, etc. não são capazes de substituir fundamentalmente a enorme quantidade de energia consumida pela humanidade (16 TW). Sua participação na produção mundial de energia ainda é de apenas 0,5%.
Enquanto isso, mundo moderno enfrenta uma crise energética muito grave. O problema está relacionado ao fato de que, de acordo com todas as previsões sérias as reservas de combustíveis fósseis podem se esgotar na segunda metade deste século. Além disso, a queima de combustíveis fósseis pode levar à necessidade de de alguma forma aglutinar e "armazenar" o liberado na atmosfera dióxido de carbono(programa CCS) para evitar mudanças graves no clima do planeta.
Agora, uma nova e poderosa fonte de energia é necessária com urgência.É hora de um avanço. Caso contrário, a humanidade pode se destruir na luta pelas reservas subterrâneas de petróleo e gás remanescentes.
Os cientistas consideram a fusão termonuclear controlada a alternativa mais séria às fontes de energia modernas.
Fusão nuclear, que é a base para a existência do Sol e das estrelas, representa potencialmente uma fonte inesgotável de energia para o desenvolvimento do universo em geral.
Experimentos conduzidos no Reino Unido no âmbito do programa Joint European Torus (JET), um dos principais programas de pesquisa do mundo, mostram que a fusão nuclear pode fornecer não apenas as necessidades atuais de energia da humanidade, mas também muito mais energia.
Um exemplo de uma reação termonuclear é deutério + trítio
Dois núcleos: deutério e trítio se fundem para formar um núcleo de hélio (partícula alfa) e um nêutron de alta energia.
É essa reação que deve ser usada em futuros reatores termonucleares. Mas é muito difícil realizar essa reação e torná-la administrável. Para iniciar (inflamar) a reação de fusão, é necessário aquecer um gás de uma mistura de deutério e trítio a uma temperatura superior a 100 milhões de graus Celsius, cerca de dez vezes maior que a temperatura no centro do Sol. Nessa temperatura, os deutérios e tritões mais "energéticos" (os núcleos de deutério e trítio) se aproximam em colisões a distâncias tão próximas que poderosas forças nucleares começam a agir entre eles, forçando-os a se fundirem em um único todo .
A implementação do processo de fusão nuclear em laboratório está associada a problemas muito complexos. Para resolver o problema de aquecer e manter a mistura gasosa dos núcleos D e T, foram inventadas "garrafas magnéticas", chamadas "Tokamak", que impedem que o plasma interaja com as paredes do reator. O início da era moderna no estudo das possibilidades da fusão termonuclear deve ser considerado em 1969, quando uma temperatura de 3 10 6 °C foi atingida em um plasma de cerca de 1 m 3 na instalação russa Tokamak T3. Depois disso, cientistas de todo o mundo reconheceram o design do tokamak como o mais promissor para confinamento de plasma magnético. Alguns anos depois, foi tomada uma decisão ousada de criar uma instalação JET (Joint European Torus) com um volume de plasma muito maior (~100 m3). Esta instalação começou a operar em 1983 e continua sendo o maior tokamak do mundo, fornecendo aquecimento de plasma a uma temperatura de 150 10 6 °C.
Atualmente, inicia-se na França a construção do reator termonuclear experimental internacional ITER. A abreviação significa International Tokamak Experimental Reactor, mas atualmente o nome ITER não é oficialmente considerado uma abreviatura, mas está associado à palavra latina iter - caminho.
A figura mostra o projeto de construção do reator ITER na cidade de Cadarache, França
As tarefas que impedem a criação de reatores termonucleares e as vantagens da energia nuclear foram descritas em detalhes e de forma fácil de entender na palestra “On the Path to Thermonuclear Energy”, lida por Christopher Llewellyn-Smith, presidente da o Conselho do ITER, na FIAN. (http:///elementy.ru/lib/430807)
O ITER será a primeira usina de grande escala projetada para operação de longo prazo. Os problemas e dificuldades de operar tal instalação estão relacionados principalmente ao fato de que um poderoso fluxo de nêutrons de alta energia e a energia liberada (na forma radiação eletromagnética e partículas de plasma) afetam seriamente o reator e destroem os materiais de que é feito. O segundo problema principal é garantir alta resistência dos materiais estruturais do reator sob bombardeio de longo prazo (por vários anos) por nêutrons e sob a influência de um fluxo de calor. O terceiro e possivelmente o mais o problema principalé garantir alta confiabilidade. Assim, o projeto e a construção de estações termonucleares exigem que físicos e engenheiros resolvam uma série de problemas tecnológicos diversos e muito complexos.
Porém, apesar de todas as dificuldades, o problema vale a pena ser tratado da forma mais séria. A principal vantagem da fusão nuclear é que ela requer apenas uma quantidade muito pequena de substâncias naturais como combustível. A reação de fusão nuclear nas instalações descritas pode levar à liberação de enormes quantidades de energia, dez milhões de vezes maior do que a liberação de calor padrão em convencionais reações químicas(como a queima de combustíveis fósseis). Por exemplo, a quantidade de carvão necessária para operar uma usina termelétrica de 1 GW é de 10.000 toneladas por dia (dez vagões), enquanto uma usina de fusão com a mesma capacidade consumiria apenas cerca de 1 quilograma de mistura D+T por dia.
O deutério é um isótopo estável do hidrogênio. Em cerca de uma em cada 3.350 moléculas de água comum, um dos átomos de hidrogênio é substituído por deutério (um legado herdado do Big Bang). Esse fato facilita a organização de uma produção razoavelmente barata da quantidade necessária de deutério a partir da água. É mais difícil obter o trítio, que é instável (a meia-vida é de cerca de 12 anos, pelo que o seu conteúdo na natureza é insignificante), no entanto, o trítio surgirá diretamente no interior da instalação termonuclear durante o funcionamento, devido à reação de nêutrons com lítio.
Assim, o combustível inicial para um reator termonuclear é lítio e água. O lítio é um metal comum amplamente utilizado em electrodomésticos(em baterias para celulares etc). A usina descrita acima, mesmo com eficiência imperfeita, será capaz de produzir 200.000 kWh de energia elétrica, o que equivale à energia contida em 70 toneladas de carvão. A quantidade de lítio necessária para isso está contida em uma bateria e a quantidade de deutério está contida em 45 litros de água. O valor acima corresponde ao consumo atual de eletricidade (em termos de uma pessoa) nos países da UE por 30 anos. O próprio fato de uma quantidade tão insignificante de lítio poder fornecer a geração de tal quantidade de eletricidade (sem emissões de CO 2 e sem a menor poluição da atmosfera) é um argumento suficientemente sério para o desenvolvimento mais rápido e vigoroso da energia termonuclear ( apesar de todas as dificuldades e problemas) e mesmo sem cem por cento de certeza no sucesso de tais pesquisas.
O deutério deve durar milhões de anos, e as reservas de lítio facilmente extraídas são suficientes para atender às necessidades de centenas de anos. Mesmo que as reservas de lítio em rochas acabar, podemos extraí-lo da água, onde se encontra em concentração suficientemente alta (100 vezes a do urânio) para torná-lo economicamente viável para a mineração.
A energia termonuclear não só promete à humanidade, em princípio, a possibilidade de produzir enormes quantidades de energia no futuro (sem emissões de CO 2 e sem poluição do ar), como também aumenta a segurança. O plasma utilizado nas instalações termonucleares tem uma densidade muito baixa (cerca de um milhão de vezes menor que a densidade da atmosfera), pelo que o ambiente de trabalho das instalações nunca conterá energia suficiente para provocar incidentes ou acidentes graves. Além disso, o carregamento do "combustível" deve ser feito de forma contínua, o que facilita a interrupção do seu funcionamento, sem contar que em caso de acidente e mudança brusca das condições ambientais, a "chama" termonuclear deve simplesmente saia.
Quais são os perigos associados à energia nuclear? Primeiro, vale a pena notar que o invólucro do reator pode se tornar radioativo durante a exposição prolongada a nêutrons. No entanto, ao escolher materiais com as propriedades desejadas para o invólucro, é possível garantir o decaimento de produtos radioativos com meia-vida de cerca de 10 anos, podendo ser realizada a substituição completa de todos os componentes após 100 anos. Em caso de falha total do circuito de resfriamento, a radioatividade das paredes continuará gerando calor, mas Temperatura máxima será significativamente inferior ao valor no qual a instalação irá derreter.
Em segundo lugar, o trítio é radioativo e tem uma meia-vida relativamente curta (12 anos). Mas, embora o volume de plasma utilizado seja significativo, devido à sua baixa densidade, contém apenas uma quantidade muito pequena de trítio (um peso total de cerca de dez selos postais). Portanto, mesmo nas situações e acidentes mais difíceis (destruição total da casca e liberação de todo o trítio nela contido, por exemplo, durante um terremoto e queda de uma aeronave em uma estação), apenas uma pequena quantidade de combustível entrará o meio ambiente, o que não exigirá a evacuação da população dos assentamentos próximos.
O principal obstáculo ao desenvolvimento de pesquisas na área de fusão nuclear é que uma instalação termonuclear do tipo em discussão não pode ser criada e estudada em pequena escala, pois a fusão termonuclear requer não apenas o confinamento magnético do plasma, mas também seu suficiente aquecimento. A proporção de energia gasta e recebida aumenta pelo menos em proporção ao quadrado dimensões lineares instalações, pelo que as capacidades e vantagens científicas e técnicas das instalações termonucleares só podem ser testadas e demonstradas em centrais relativamente grandes, como o reator ITER acima mencionado. A sociedade simplesmente não estava pronta para financiar projetos tão grandes até que houvesse confiança suficiente no sucesso.
Nas últimas duas décadas, também houve um progresso significativo na compreensão teórica do comportamento do plasma. Nesta área, é necessário notar dois resultados que são de particular importância nos problemas em consideração:
1. Foi descoberta a capacidade do plasma quente (previsto anteriormente no laboratório de Culham, Reino Unido) de autogerar sua própria corrente, o que foi chamado de “lacing” de plasma. Por exemplo, pode-se esperar que aproximadamente 80% da corrente de 15 MA necessária para confinar o plasma em um reator ITER venha desse efeito, resultando em muito menos energia para manter o reator funcionando e muito mais controle sobre sua operação.
2. No Instituto de Física de Plasma em Garching (Garching, Alemanha) em experimentos de fusão termonuclear, foi observado o modo "alto confinamento", que permite um aumento significativo da pressão no sistema (ou seja, aumentar a eficiência do instalação) em determinados valores do campo magnético na instalação.
O reator ITER está sendo construído por um consórcio que inclui Comunidade Européia, Japão, Rússia, EUA, China, Coreia do Sul e Índia. A população total desses países é cerca de metade da população total da Terra, então o projeto pode ser chamado de uma resposta global a um desafio global. Os principais componentes e montagens do reator ITER já foram criados e testados, e a construção já começou na cidade de Cadarache (França). O lançamento do reator está previsto para 2019, e a produção de plasma de deutério-hidrogênio está prevista para 2026, já que colocar o reator em operação requer longos e sérios testes de plasma de hidrogênio e deutério.
Como disse Christopher Llewellyn-Smith, presidente do Conselho do ITER: “Não há garantia absoluta de que a tarefa de criar energia termonuclear (como uma fonte de energia eficiente e em grande escala para toda a humanidade) será concluída com sucesso, mas pessoalmente acredito que a probabilidade de sucesso nessa direção é bastante alta. Considerando o enorme potencial das usinas termonucleares, todos os custos dos projetos de desenvolvimento rápido (e até acelerado) podem ser considerados justificados, especialmente porque esses investimentos parecem muito modestos em um monstruoso mercado mundial de energia (4 trilhões de dólares por ano ). Atender às necessidades de energia da humanidade é um problema muito sério. À medida que os combustíveis fósseis se tornam menos disponíveis (além disso, seu uso se torna indesejável), a situação está mudando e simplesmente não podemos deixar de desenvolver a energia de fusão”.
À pergunta "Quando aparecerá a energia termonuclear?" Lev Artsimovich (reconhecido pioneiro e líder de pesquisa nesta área) uma vez respondeu que "será criado quando se tornar realmente necessário para a humanidade". Talvez essa hora tenha chegado.
Este é um artigo de ciência popular no qual quero contar aos interessados na fusão nuclear sobre seus princípios. São fusão "fria" e "quente", decaimento radioativo, reação de fissão nuclear e dados disponíveis sobre a síntese de uma ampla gama de substâncias no chamado processo de transmutação.
Qual é a "pedra filosofal" que permitirá a uma pessoa ter à sua disposição a fusão nuclear?
- Na minha opinião, isso é conhecimento! Conhecimento sem dogmas e charlatanismo! Ao compreender quais serão os fracassos e a conquista de novos picos.
Talvez, depois de lê-lo, você se interesse por esses problemas e, no futuro, os trate com cuidado. Aqui tentei falar sobre os princípios básicos inerentes à natureza da matéria - matéria e mais uma vez confirmando a ideia da simplicidade e otimalidade da natureza.
Na literatura, frequentemente encontramos o termo "fusão termonuclear".
Reação termonuclear, fusão termonuclear (sinônimo: reação de fusão nuclear)
Um tipo de reação nuclear na qual núcleos atômicos leves se combinam para formar núcleos mais pesados. http://ru.wikipedia.org/wiki/ digite para pesquisar - Fusão
Mais precisamente, sob o termo "fusão termonuclear", costuma-se considerar "fusão nuclear" com liberação de energia (calor).
Ao mesmo tempo, o conceito de "Fusão Nuclear" inclui:
Existe um conceito especial para este processo A nucleossíntese é o processo de formação de núcleos de elementos químicos mais pesados que o hidrogênio no decorrer de uma reação de fusão nuclear (fusão).
No processo de nucleossíntese primária, são formados elementos não mais pesados que o lítio, o modelo teórico do Big Bang assume a seguinte proporção de elementos:
H - 75%, 4He - 25%, D - 3 10 -5 , 3He - 2 10 -5 , 7Li - 10 -9 ,
que está de acordo com os dados experimentais sobre a determinação da composição da matéria em objetos com um grande desvio para o vermelho (das linhas nos espectros dos quasares.
A nucleossíntese estelar é um conceito coletivo para as reações nucleares de formação de elementos mais pesados que o hidrogênio, no interior das estrelas, e também, em pequena escala, na sua superfície.
Em ambos os casos, direi uma frase que pode ser blasfema para alguns, a síntese pode ocorrer tanto com a liberação do excesso de energia de ligação quanto com a absorção da que falta. Portanto, é mais correto falar não sobre fusão termonuclear, mas sobre um processo mais geral - a fusão nuclear.
Critérios conhecidos existência fusão termonuclear(para reação D-T) , o que é possível mediante o cumprimento simultâneo de duas condições:
onde n é a densidade do plasma de alta temperatura, τ é o tempo de confinamento do plasma no sistema.
O valor desses dois critérios determina principalmente a velocidade de uma determinada reação termonuclear.
Atualmente (2012), a fusão termonuclear controlada ainda não foi realizada em escala industrial. A construção do Reator Experimental Termonuclear Internacional (ITER) está em seus estágios iniciais. E esta não é a primeira vez que sua data de lançamento é adiada.
Quase os mesmos critérios, mas mais gerais, para a síntese de núcleos, é necessário aproximá-los a uma distância de cerca de 10 −15 m, em que a ação da interação forte excederá as forças de repulsão eletrostática.
As condições de transformação são conhecidas, trata-se da aproximação dos núcleos às distâncias quando as forças intranucleares começam a atuar.
Mas esta é uma condição simples, não tão fácil de cumprir. Existem forças de Coulomb de núcleos carregados positivamente participando de uma reação nuclear, que devem ser superadas para aproximar os núcleos da distância quando as forças intranucleares começam a agir e os núcleos se combinam.
O que é necessário para superar as forças de Coulomb?
Se ignorarmos os custos de energia necessários para isso, podemos dizer com certeza que, aproximando dois ou mais núcleos a uma distância menor que 1/2 do diâmetro do núcleo, os levaremos a um estado em que as forças intranucleares levarão a sua fusão. Como resultado da fusão, um novo núcleo é formado, cuja massa será determinada pela soma dos núcleos dos núcleos originais. O núcleo resultante, no caso de sua instabilidade, como resultado de um ou outro decaimento, chegará depois de algum tempo a um certo estado estável.
Normalmente, os núcleos envolvidos no processo de síntese existem na forma de íons que perderam elétrons parcial ou totalmente.
A convergência dos núcleos é conseguida de várias maneiras:
Deixando a terminologia por enquanto, vamos ver o que é a fusão termonuclear.
Recentemente, raramente ouvimos falar sobre a pesquisa de fusão termonuclear "quente".
Somos vencidos por nossos próprios problemas, mais vitais para nós do que para toda a humanidade. Sim, isso é compreensível, a crise continua e lutamos para sobreviver.
Mas a pesquisa e o trabalho no campo da fusão termonuclear continuam. Existem duas áreas de trabalho:
Além disso, sua diferença entre quente e frio descreve apenas as condições que devem ser criadas para que essas reações ocorram.
Isso significa que na fusão nuclear "quente", os produtos envolvidos na reação termonuclear devem ser aquecidos para dar aos seus núcleos uma certa velocidade (energia) para vencer a barreira de Coulomb, do que criar condições para que a reação de fusão nuclear ocorra. .
No caso da fusão nuclear "fria", a fusão ocorre em condições externas normais (média sobre o volume da instalação, e a temperatura na zona de fusão (em microvolume) corresponde totalmente à energia liberada), mas como a própria fato da fusão nuclear existir, as condições necessárias para a fusão dos núcleos estão sendo realizadas. Como você entende, certas reservas e esclarecimentos são necessários quando se fala em fusão nuclear "fria". Portanto, o termo “frio” dificilmente é aplicável para este termo, a designação, LENR (reações nucleares de baixa energia), é mais adequada.
Mas acho que você entende que uma reação termonuclear ocorre com a liberação de energia e, em ambos os casos, seu resultado é "quente" - é a liberação de calor. Por exemplo, na fusão nuclear "fria", assim que o número de eventos de fusão se tornar grande o suficiente, a temperatura do meio ativo começará a subir.
Sem medo de ser tedioso, repito, a essência da fusão nuclear está na convergência dos núcleos da substância que participa da reação à distância quando as forças intranucleares começam a agir (predominam) sobre os átomos que participam da fusão nuclear sob a influência dos quais os núcleos se fundirão.
Experimentos com fusão nuclear "quente" são realizados em instalações complexas e caras que usam as tecnologias mais avançadas e permitem aquecer o plasma a temperaturas acima de 10 8 K e mantê-lo em uma câmara de vácuo com a ajuda de campos magnéticos super fortes por um longo tempo (em em uma instalação industrial, isso deve ser feito em modo contínuo - este é todo o tempo de sua operação, em pesquisa pode ser um modo de pulsos únicos e pelo tempo necessário para que a reação termonuclear prossiga, de acordo com o Lawson critério (se estiver interessado, consulte http://ru.wikipedia .org/wiki/ search para o teste de Lawson).
Existem vários tipos dessas instalações, mas a mais promissora é a instalação do tipo TOKAMAK - uma medida TO rhoidal KA com bobinas magnéticas MA.
| A proposta de usar fusão termonuclear controlada para fins industriais e um esquema específico usando o isolamento térmico de plasma de alta temperatura por um campo elétrico foram formulados pela primeira vez pelo físico soviético O. A. Lavrentiev em meados da década de 1950. Este trabalho serviu de catalisador para a pesquisa soviética sobre o problema da fusão termonuclear controlada. Em 1951, A. D. Sakharov e I. E. Tamm propuseram modificar o esquema propondo uma base teórica para um reator termonuclear, onde o plasma teria a forma de um toro e ser mantida por um campo magnético. O termo "tokamak" ”foi inventado mais tarde por I.N. Golovin, aluno do acadêmico Kurchatov. Inicialmente, parecia "tokamag" - uma abreviação das palavras " então rhoidal ka a medida mágico thread", mas N. A. Yavlinsky, o autor do primeiro sistema toroidal, propôs substituir "-mag" por "-pop" para eufonia. Posteriormente, esta versão foi emprestada por todos os idiomas. primeiro tokamak foi construído em 1955 e por muito tempo os tokamaks existiram apenas na URSS. Somente depois de 1968, quando o tokamak T-3 construído no Instituto energia Atômica eles. I. V. Kurchatov, sob a orientação do acadêmico L. A. Artsimovich, foi atingida uma temperatura de plasma de 10 milhões de graus, e cientistas britânicos com seus equipamentos confirmaram esse fato, que a princípio se recusaram a acreditar, um verdadeiro boom de tokamaks começou no mundo. A partir de 1973, B. B. Kadomtsev liderou o programa de pesquisa em física de plasma usando tokamaks. A física oficial considera o tokamak o único dispositivo promissor para fusão termonuclear controlada. |
Atualmente (2011), a fusão termonuclear controlada ainda não foi realizada em escala industrial. A construção do Reator Experimental Termonuclear Internacional (ITER) está em seus estágios iniciais. (Projeto concluído)
| Projeto iterar- caminho - projeto de um reator termonuclear experimental internacional. O projeto do reator foi totalmente concluído e um local foi selecionado para sua construção no sul da França, a 60 km de Marselha, no território do centro de pesquisa de Cadarache. |
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| Planos atuais: | ||
| Data inicial, anos | Nova data, y. | |
| 2007-2019 | 2010-2022 | período de construção do reator. |
| 2026 | 2029 | Primeiras reações de fusão |
| 2019-2037 | 2022 - 2040 | experimentos são esperados, após o que o projeto será encerrado, |
| Depois de 2040 | 2043 | o reator produzirá eletricidade (sujeito a experimentos bem-sucedidos) |
| Devido à situação económica, é possível um atraso de mais 3 anos, o que pode levar à necessidade de finalizar o projeto. Isso resultará em um atraso total de aproximadamente 5 anos. | ||
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O projeto ITER envolve a Rússia, os EUA, a China, a UE, a República da Coreia, a Índia e o Japão. Como o reator será construído no território da União Européia, ele financiará 40% do custo do projeto. Os demais países participantes financiam 10% do projeto. Inicialmente, o custo total deste programa foi estimado em 13 mil milhões de euros. Destes, 4,7 bilhões serão gastos na construção de capital da planta de demonstração. A potência termonuclear do reator ITER será de 500 MW. Posteriormente, o custo aumentou para 15 bilhões de euros, valor semelhante será necessário para a pesquisa. No Japão, a construção do ITER já havia começado no norte da ilha de Honshu, na cidade de Rokkase, na província de Aomori, mas em Tóquio eles foram forçados a abandonar a construção independente do reator, desde 600-800 bilhões de ienes ( cerca de $ 6-8 bilhões) tiveram que ser investidos no projeto. |
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A chamada fusão nuclear "fria" (como eu já disse, é fria enquanto o número de eventos de fusão - a fusão é pequena), apesar da atitude da ciência oficial, ela também ocorre.
A lógica sugere que as condições para a aproximação dos núcleos podem ser alcançadas de outras formas. Até agora, simplesmente não conseguimos entender a física dos processos que ocorrem no microcosmo, explicá-los e, portanto, obter a repetibilidade do experimento como resultado da aplicação prática.
Há confirmação instrumental da ocorrência de reações nucleares.
Em muitos experimentos, foram registrados sinais inerentes à fusão nuclear (individual e combinada): liberação de nêutrons, liberação de calor, radiação espúria, produtos da fusão nuclear.
A lógica sugere a possibilidade da existência de NS sem liberação de nêutrons, radiação espúria e até com absorção de energia. Mas sempre há o surgimento de novos elementos químicos nos produtos da fusão nuclear.
Por exemplo, uma reação nuclear pode ocorrer sem nêutrons e outras radiações.
D + 6Li → 2 + 22,4 MeV
Além disso, fenômenos semelhantes são registrados na natureza.
decaimento radioativo.
Na natureza, é conhecida a síntese de novos elementos químicos no processo de decaimento radioativo.
Decaimento radioativo (de lat. raio"feixe" e ativo"efetivo") - uma mudança espontânea na composição de núcleos atômicos instáveis (carga Z, número de massa A) emitindo partículas elementares ou fragmentos nucleares. O processo de decaimento radioativo também é chamado de radioatividade, e os elementos correspondentes são radioativos. Substâncias contendo núcleos radioativos também são chamadas de radioativas.
Todos foram considerados radioativos. elementos químicos com um número atômico maior que 82 (ou seja, começando com o bismuto) e muitos elementos mais leves (promécio e tecnécio não possuem isótopos estáveis, e alguns elementos, como índio, potássio ou cálcio, alguns dos isótopos naturais são estáveis, enquanto outros são radioativos).
Tipos de decaimento radioativo
Reação de fissão nuclear do núcleo de Urano 238 você também pode ser atribuído a reações de fusão nuclear, com a diferença de que os núcleos mais leves são sintetizados com uma ou outra fissão do núcleo pesado 238 U. Nesse caso, é liberada energia que é usada na energia nuclear. Mas não vou falar aqui de uma reação em cadeia, de um reator nuclear...
O exposto já é suficiente para classificar a reação de fissão nuclear como uma reação de fusão nuclear.
A palavra transmutação, tão desagradada pela ciência oficial, talvez por ter sido ativamente usada pelos alquimistas nos velhos tempos (quando ainda não havia títulos científicos), ainda reflete mais plenamente o processo de transformação da matéria.
Transmutação (de lat. trans - através de, por trás; lat. mutatio - mudança, mudança)
A transformação de um objeto em outro. O termo tem vários significados, mas vamos omitir os significados que não são relevantes para o nosso tópico:
E talvez a palavra "transformação" lhes pareça semelhante à palavra "mágica", mas afinal existe uma "transformação" natural de isótopos de alguns elementos químicos em outros elementos químicos que é compreensível para todos.
Entre os elementos radioativos naturais pesados, 3 famílias são conhecidas 238 92 U, 235 92 U, 232 90 U após uma série de sucessivos decaimentos α e β se tornarem estáveis 206 82 Pb, 207 82 Pb, 208 82 Pb.
E vários outros [L. 5]:
E a palavra transformação é muito útil aqui.
Claro, para quem está mais próximo, eles podem usar o termo síntese com razão.
Aqui é impossível não mencionar o trabalho de tratamento de águas residuais industriais realizado por Vachaev A.V. [L.7], que levou à descoberta de efeitos completamente novos da fusão nuclear, o experimento de Urutskoev L.I. [L.6], que confirmou a possibilidade de transformação nuclear (transmutação ) e estudos conduzidos por Pankov V.A., Kuzmin B.P. [L.10], que confirmaram totalmente os resultados de Vachaev A.L. sobre a transformação da matéria em uma descarga elétrica. Mas em detalhes você pode ver o trabalho deles nos links.
Experimentadores estão discutindo a possibilidade de converter substâncias em plantas.
O termo "transmutação" também pode denotar a síntese de elementos superpesados.
Primeiro Elementos transurânicos (TE) foram sintetizados no início dos anos 1940. século 20 em Berkeley (EUA) por um grupo de cientistas liderados por E. Macmillan e G. Seaborg, que receberam o Prêmio Nobel pela descoberta e estudo desses elementos. Existem várias maneiras de sintetizar TE. Eles se resumem a irradiar o alvo com nêutrons ou fluxos de partículas carregadas. Se U for usado como alvo, então, com a ajuda de poderosos fluxos de nêutrons gerados em reatores nucleares ou durante a explosão de dispositivos nucleares, é possível obter todos os TE até Fm (Z = 100) inclusive. O processo de síntese consiste ou na captura sucessiva de neutrões, sendo cada acto de captura acompanhado de um aumento do número de massa A, conduzindo ao decaimento β e ao aumento da carga nuclear Z, ou na captura instantânea de um grande número de nêutrons (uma explosão) com uma longa cadeia de decaimentos β. As possibilidades deste método são limitadas, não permite a obtenção de núcleos com Z > 100. As razões são a densidade insuficiente dos fluxos de nêutrons, a baixa probabilidade de capturar um grande número de nêutrons e (o mais importante) o decaimento radioativo muito rápido de núcleos com Z > 100.
Para a síntese de distante TE dois tipos de reações nucleares são usados - fusão e fissão. No primeiro caso, os núcleos-alvo e o íon acelerado fundem-se completamente, e o excesso de energia do núcleo composto excitado resultante é removido por "evaporação" (liberação) de nêutrons. Ao usar íons C, O, Ne e alvos de Pu, Cm, Cf, um núcleo composto fortemente excitado é formado (energia de excitação ~ 40-60 MeV). Cada nêutron evaporado é capaz de transportar do núcleo uma energia da ordem de 10-12 MeV em média, portanto, devem ser emitidos até 5 nêutrons para “resfriar” o núcleo composto. O processo de fissão de um núcleo excitado compete com a evaporação de nêutrons. Para elementos com Z = 104-105, a probabilidade de evaporação de um nêutron é 500-100 vezes menor que a probabilidade de fissão. Isso explica o baixo rendimento de novos elementos: a fração de núcleos que "sobrevivem" como resultado da remoção da excitação é apenas 10-8-10-10 do número total de núcleos-alvo que se fundiram com as partículas. Esta é a razão pela qual apenas 5 novos elementos (Z = 102-106) foram sintetizados nos últimos 20 anos.
Um novo método para a síntese de células de combustível baseado em reações de fusão nuclear foi desenvolvido no JINR, onde núcleos estáveis densamente compactados de isótopos de Pb são usados como alvos e íons Ar, Ti e Cr relativamente pesados são usados como partículas de bombardeio. O excesso de energia iônica é gasto para "desempacotar" o núcleo composto, e a energia de excitação acaba sendo baixa (apenas 10-15 MeV). Para remover a excitação de tal sistema nuclear, a evaporação de 1-2 nêutrons é suficiente. Como resultado, obtém-se um ganho muito perceptível na produção de novas células de combustível. Este método foi usado para sintetizar células de combustível com Z = 100, Z = 104 e Z = 106.
Em 1965, Flerov propôs usar a fissão nuclear induzida sob a ação de íons pesados para a síntese de células de combustível. Fragmentos de fissão nuclear sob a ação de íons pesados têm massa simétrica e distribuição de carga com grande dispersão (portanto, elementos com Z significativamente maior que metade da soma de Z do alvo e Z do íon bombardeador podem ser encontrados em produtos de fissão) . Foi estabelecido experimentalmente que a distribuição de fragmentos de fissão se torna mais ampla à medida que partículas cada vez mais pesadas são usadas. O uso de íons Xe ou U acelerados possibilitaria a obtenção de novas células de combustível como fragmentos pesados de fissão por meio da irradiação de alvos de urânio. Em 1971, os íons Xe foram acelerados em JINR usando dois ciclotrons, que irradiavam um alvo de urânio. Os resultados mostraram que o novo método é adequado para a síntese de células de combustível pesadas.
Para a síntese de células de combustível, tenta-se usar a reação (fusão) dos núcleos de titânio-50 e califórnio-249. Segundo os cálculos, a probabilidade de formação de núcleos do 120º elemento é um pouco maior ali.
A própria existência de isótopos de vida curta e longa, núcleos estáveis e conhecimento moderno sobre sua estrutura falam de certas dependências e combinações do número de núcleons no núcleo, que lhes dão a capacidade de existir nos períodos acima.
Isso também é confirmado pela ausência de outros elementos químicos.
A lógica sugere a existência de leis que determinam uma certa composição do núcleo do núcleo (como suas camadas de elétrons).
Ou seja, a formação do núcleo ocorre de acordo com certas dependências quantizadas, que são semelhantes às camadas eletrônicas. Simplesmente não pode haver outros núcleos (átomos) estáveis (de vida longa) de elementos químicos.
Ao mesmo tempo, isso não nega a possibilidade da existência de outras combinações de núcleons e seu número no núcleo. Mas o tempo de vida de tal núcleo é essencialmente limitado.
Quanto aos núcleos (átomos) instáveis (de vida curta), podem existir, sob certas condições, núcleos com outras combinações de núcleons e seu número no núcleo, em comparação com núcleos estáveis e em muitas de suas combinações.
As observações mostram que, com o aumento do número de nucleons (prótons ou nêutrons) no núcleo, existem certos números em que a energia de ligação do próximo nucleon no núcleo é muito menor que a do último. Núcleos atômicos contendo números mágicos são especialmente estáveis. 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114, 126 , 164 para prótons e 2, 8, 20, 28, 50, 82 , 126 , 184, 196, 228, 272, 318 para nêutrons. (Os números duplamente mágicos estão destacados em negrito, ou seja, números mágicos tanto para prótons quanto para nêutrons)
Núcleos mágicos são os mais estáveis. Isso é explicado dentro da estrutura do modelo de concha: o fato é que as conchas de prótons e nêutrons em tais núcleos são preenchidas - assim como as conchas de elétrons dos átomos de gás nobre.
De acordo com esse modelo, cada núcleon está em um núcleo em um determinado estado quântico individual, caracterizado por energia, momento angular (seu valor absoluto j, bem como a projeção m em um dos eixos coordenados) e momento angular orbital l.
O modelo de casca do núcleo é de fato um esquema semi-empírico que permite entender alguns padrões na estrutura dos núcleos, mas não é capaz de descrever quantitativamente consistentemente as propriedades do núcleo. Em particular, em vista dessas dificuldades, não é fácil determinar teoricamente a ordem em que as conchas são preenchidas e, consequentemente, os "números mágicos" que serviriam como análogos dos períodos da tabela periódica para os átomos. A ordem em que as cascas são preenchidas depende, em primeiro lugar, da natureza do campo de força, que determina os estados individuais das quasipartículas e, em segundo lugar, da mistura de configurações. Este último é geralmente levado em consideração apenas para cascas não preenchidas. Os números mágicos observados experimentalmente comuns para nêutrons e prótons (2, 8, 20, 28, 40, 50, 82, 126) correspondem aos estados quânticos de quasipartículas movendo-se em um poço de potencial retangular ou oscilatório com interação spin-órbita (é devido a isso que números 28, 40, 82, 126)
As leis da física são as mesmas em todos os lugares e não dependem do tamanho dos sistemas onde operam. E você não pode falar sobre fenômenos anômalos. Qualquer anomalia fala de nossa incompreensão dos processos em andamento e da essência dos fenômenos. Apenas em cada caso eles podem se manifestar de maneiras diferentes, pois cada situação impõe suas próprias condições de fronteira.
Por exemplo:
Portanto, dadas as condições de contorno, pode-se tropeçar em fenômenos e processos completamente incomuns para nossa percepção.
Como disse um dos antigos filósofos: "Infinitamente pequeno pode ser infinitamente grande." Parafraseando, pode-se também dizer sobre a matéria: “Infinitamente grandes estão escondidos no infinitamente pequeno ...” Em vez de reticências, coloque: pressão, temperatura, força do campo elétrico ou magnético.
E isso é confirmado pelos dados disponíveis sobre a magnitude da energia das ligações moleculares, Coulomb, forças intranucleares (a energia de ligação dos núcleons no núcleo).
Portanto, pressões ultra-altas, forças de campo elétrico e magnético super-altas e temperaturas super-altas são possíveis no microcosmo. O bom de usar as possibilidades dos micro volumes (do mundo) é que para se obter esses supervalores, na maioria das vezes, não são necessários enormes custos de energia.
Esta configuração nasceu em resultado da pesquisa realizada na década de 50 na URSS como parte do programa estadual de progresso científico e tecnológico. Em 1989, foi decidido recriar 3 usinas de hidrólise termiônica com capacidade de 12,5 kW cada no NPO Luch perto de Moscou. Esta decisão foi implementada instantaneamente sob a liderança de I.S. Filimonenko. Todas as três instalações foram preparadas para comissionamento em 1990. Ao mesmo tempo, para cada quilowatt gerado pelas usinas de fusão térmica, havia apenas 0,7 gramas de paládio, sobre o qual, como se viu mais tarde, o mundo não convergiu como uma cunha .
Em conclusão, podemos dizer:
Quanto maior o volume da região onde ocorre a fusão nuclear (com igual densidade da substância inicial), maior o consumo de energia para sua iniciação e, consequentemente, maior o rendimento energético. Sem falar nos custos financeiros, que também são proporcionais ao tamanho do espaço de trabalho.
Isso é típico para fusão "quente". Os desenvolvedores planejam usá-lo para gerar centenas de megawatts de energia.
Ao mesmo tempo, existe um caminho de baixo custo (em todas as direções listadas acima). O nome dele é LERN.
Ele usa as possibilidades de atingir as condições necessárias para a fusão nuclear em microvolumes e obter capacidades pequenas, mas suficientes para atender a muitas necessidades (até um megawatt). Em alguns casos, a conversão direta de energia em energia elétrica é possível. É verdade que recentemente essas capacidades simplesmente não interessam aos engenheiros de energia, cujas torres de resfriamento enviam capacidades muito maiores para a atmosfera.
Até agora problema não resolvido"quente" e algumas variantes da fusão nuclear "fria", o problema de remover produtos de decomposição da área de trabalho permanece. O que é necessário porque reduzem a concentração dos materiais de partida envolvidos na fusão nuclear. Isso leva à violação do critério de Lawson em fusão nuclear "quente" e "extinção" da reação de fusão. Na fusão nuclear "fria", no caso da circulação da substância inicial, isso não ocorre.
| nº pp | Dados do artigo | Link |
| 1 | tokamak, | http://ru.wikipedia.org/wiki/Tokamak |
| 2 | I-07.pdf * | |
| 6 | DETECÇÃO EXPERIMENTAL DE RADIAÇÃO "ESTRANHA" E TRANSFORMAÇÃO DE ELEMENTOS QUÍMICOS, L.I. Urutskoev*, V.I. Liksonov*, V.G. Tsinoev** "RECOM" RRC "Instituto Kurchatov", 28 de março de 2000 | http://jre.cplire.ru/jre/mar00/4/text.html |
| 7 | Transmutação da matéria de acordo com Vachaev - Grinev | http://rulev-igor.narod.ru/theme_171.html |
| 8 | SOBRE AS MANIFESTAÇÕES DA REAÇÃO DE FUSÃO NUCLEAR FRIA EM AMBIENTES DIVERSOS. Mikhail Karpov | http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/8767.html |
| 9 | Física Nuclear Online, Números Mágicos, Capítulo de "Núcleos Exóticos" BS Ishkhanov, E.I. Cabine | http://nuclphys.sinp.msu.ru/exotic/e08.html |
| 10 | Método de demonstração para a síntese de elementos a partir de água no plasma de uma descarga elétrica, Pankov V.A., Ph.D.; Kuzmin B.P., Ph.D. Instituto de Metalurgia, Ramo Ural da Academia Russa de Ciências | http://model.susu.ru/transmutation/20090203.htm |
| 11 | Método A.V. Vachaeva - N.I. Ivanova | http://model.susu.ru/transmutation/0004.htm |
| 12 |
Cientistas do Laboratório de Física de Plasma de Princeton propuseram a ideia do dispositivo de fusão nuclear mais durável que pode operar por mais de 60 anos. NO este momento esta é uma tarefa assustadora: os cientistas estão lutando para fazer um reator de fusão funcionar por alguns minutos - e depois anos. Apesar da complexidade, a construção de um reator de fusão é uma das tarefas mais promissoras da ciência, podendo trazer grandes benefícios. Contamos o que você precisa saber sobre a fusão termonuclear.
1. O que é fusão termonuclear?
Não tenha medo dessa frase complicada, na verdade, tudo é bem simples. A fusão termonuclear é um tipo de reação nuclear.
Durante uma reação nuclear, o núcleo de um átomo interage com uma partícula elementar ou com o núcleo de outro átomo, devido ao qual a composição e a estrutura do núcleo mudam. Um núcleo atômico pesado pode decair em dois ou três mais leves - esta é uma reação de fissão. Há também uma reação de fusão: é quando dois núcleos atômicos leves se fundem em um pesado.
Ao contrário da fissão nuclear, que pode ocorrer de forma espontânea e forçada, a fusão nuclear é impossível sem o fornecimento de energia externa. Como você sabe, os opostos se atraem, mas os núcleos atômicos são carregados positivamente - então eles se repelem. Essa situação é chamada de barreira de Coulomb. Para superar a repulsão, é necessário dispersar essas partículas a velocidades loucas. Isso pode ser feito em temperaturas muito altas, da ordem de vários milhões de kelvins. São essas reações que são chamadas termonucleares.
2. Por que precisamos da fusão termonuclear?
No decorrer das reações nucleares e termonucleares, é liberada uma grande quantidade de energia que pode ser usada para diversos fins - você pode criar a arma mais poderosa ou pode converter energia nuclear em eletricidade e fornecê-la ao mundo inteiro. A energia de decaimento nuclear tem sido usada há muito tempo em usinas nucleares. Mas a energia termonuclear parece mais promissora. Em uma reação termonuclear, para cada núcleon (os chamados núcleos constituintes, prótons e nêutrons), muito mais energia é liberada do que em uma reação nuclear. Por exemplo, quando fissão de um núcleo de urânio por núcleo é responsável por 0,9 MeV (megaelétronvolt), e quandoNa síntese de um núcleo de hélio, uma energia igual a 6 MeV é liberada de núcleos de hidrogênio. Portanto, os cientistas estão aprendendo a realizar reações termonucleares.
A pesquisa de fusão e a construção de reatores permitem a expansão da produção de alta tecnologia, útil em outras áreas da ciência e da alta tecnologia.
3. O que são reações termonucleares?
As reações termonucleares são divididas em autossustentáveis, não controladas (usadas em bombas de hidrogênio) e controladas (adequadas para fins pacíficos).
As reações autossustentáveis ocorrem no interior das estrelas. No entanto, não há condições na Terra para que tais reações ocorram.
As pessoas conduzem fusão termonuclear descontrolada ou explosiva há muito tempo. Em 1952, durante a Operação Evie Mike, os americanos detonaram o primeiro dispositivo explosivo termonuclear do mundo, que não tinha valor prático como arma. E em outubro de 1961, a primeira bomba termonuclear (hidrogênio) do mundo (Tsar Bomba, mãe de Kuzkin), desenvolvida por cientistas soviéticos sob a liderança de Igor Kurchatov, foi testada. Foi o dispositivo explosivo mais poderoso da história da humanidade: a energia total da explosão, segundo várias fontes, variou de 57 a 58,6 megatons de TNT. Para detonar uma bomba de hidrogênio, primeiro é necessário obter uma temperatura elevada durante uma explosão nuclear convencional - só então os núcleos atômicos começarão a reagir.
O poder da explosão em uma reação nuclear descontrolada é muito alto, além disso, a proporção de contaminação radioativa é alta. Portanto, para usar a energia termonuclear para fins pacíficos, é necessário aprender a gerenciá-la.
4. O que é necessário para uma reação termonuclear controlada?
Segure o plasma!
Não está claro? Agora vamos explicar.
Primeiro, núcleos atômicos. A energia nuclear usa isótopos - átomos que diferem entre si no número de nêutrons e, conseqüentemente, na massa atômica. O isótopo de hidrogênio deutério (D) é extraído da água. Hidrogênio superpesado ou trítio (T) é um isótopo radioativo de hidrogênio que é um subproduto de reações de decaimento realizadas em reatores nucleares convencionais. Também nas reações termonucleares, é utilizado um isótopo leve do hidrogênio, o prótio: este é o único elemento estável que não possui nêutrons no núcleo. O hélio-3 está contido na Terra em quantidades insignificantes, mas é muito abundante no solo lunar (regolito): na década de 80, a NASA desenvolveu um plano para instalações hipotéticas de processamento de regolito e extração de isótopos. Por outro lado, outro isótopo, o boro-11, é amplamente difundido em nosso planeta. 80% do boro na Terra é um isótopo necessário para os cientistas nucleares.
Em segundo lugar, a temperatura é muito alta. A substância que participa de uma reação termonuclear deve ser um plasma quase completamente ionizado - é um gás no qual elétrons livres e íons de várias cargas flutuam separadamente. Para transformar uma substância em plasma, é necessária uma temperatura de 10 7 -10 8 K - são centenas de milhões de graus Celsius! Essas temperaturas ultra-altas podem ser obtidas criando descargas elétricas de alta potência no plasma.
No entanto, é impossível simplesmente aquecer os elementos químicos necessários. Qualquer reator vaporizará instantaneamente nessas temperaturas. Uma abordagem completamente diferente é necessária aqui. Até o momento, é possível manter o plasma em uma área limitada com a ajuda de imãs elétricos de alta resistência. Mas ainda não foi possível usar totalmente a energia obtida como resultado de uma reação termonuclear: mesmo sob a influência de um campo magnético, o plasma se espalha no espaço.
5. Quais reações são mais promissoras?
As principais reações nucleares planejadas para serem usadas para fusão controlada usarão deutério (2H) e trítio (3H) e, a longo prazo, hélio-3 (3He) e boro-11 (11B).
Aqui estão as reações mais interessantes.
1) 2 D+ 3 T -> 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV) - reação deutério-trítio.
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% é o chamado deutério monopropelente.
As reações 1 e 2 estão repletas de contaminação radioativa de nêutrons. Portanto, as reações "sem nêutrons" são as mais promissoras.
3) 2 D+ 3 He -> 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV) - o deutério reage com o hélio-3. O problema é que o hélio-3 é extremamente raro. No entanto, o rendimento livre de nêutrons torna essa reação promissora.
4) p+ 11 B -> 3 4 He + 8,7 MeV - boro-11 reage com prótio, resultando em partículas alfa que podem ser absorvidas pela folha de alumínio.
6. Onde conduzir tal reação?
O reator de fusão natural é a estrela. Nele, o plasma é mantido sob a influência da gravidade e a radiação é absorvida - assim, o núcleo não esfria.
Na Terra, as reações termonucleares só podem ser realizadas em instalações especiais.
sistemas de impulso. Em tais sistemas, o deutério e o trítio são irradiados com feixes de laser de ultra alta potência ou feixes de elétrons/íons. Essa irradiação causa uma sequência de microexplosões termonucleares. No entanto, não é lucrativo usar tais sistemas em escala industrial: muito mais energia é gasta na aceleração dos átomos do que na fusão, já que nem todos os átomos acelerados entram em reação. Portanto, muitos países estão construindo sistemas quase estacionários.
Sistemas quase estacionários. Em tais reatores, o plasma é retido por um campo magnético em baixa pressão e alta temperatura. Existem três tipos de reatores baseados em diferentes configurações de campo magnético. Estes são tokamaks, stellarators (torsatrons) e armadilhas de espelho.
tokamak significa "câmara toroidal com bobinas magnéticas". Esta é uma câmera em forma de "rosquinha" (toro), na qual as bobinas são enroladas. Característica principal Tokamak é o uso de uma corrente elétrica alternada que flui através do plasma, o aquece e, criando um campo magnético ao seu redor, o mantém.
NO stellarator (torsatron) o campo magnético é completamente contido por bobinas magnéticas e, ao contrário de um tokamak, pode ser operado continuamente.
C armadilhas de espelho (abertas) o princípio da reflexão é usado. A câmara é fechada em ambos os lados por "tampões" magnéticos que refletem o plasma, mantendo-o no reator.
Por muito tempo, armadilhas de espelho e tokamaks lutaram pela supremacia. Inicialmente, o conceito de armadilha parecia mais simples e, portanto, mais barato. No início dos anos 60, as armadilhas abertas eram fortemente financiadas, mas a instabilidade do plasma e as tentativas malsucedidas de contê-lo com um campo magnético forçaram essas instalações a complicar - projetos de aparência simples se transformaram em máquinas infernais, e para alcançar um resultado estável não funcionou. Portanto, os tokamaks ganharam destaque na década de 1980. Em 1984, foi lançado o europeu JET tokamak, cujo custo foi de apenas 180 milhões de dólares e cujos parâmetros possibilitaram a realização de uma reação termonuclear. Na URSS e na França, foram projetados tokamaks supercondutores, que gastavam quase nenhuma energia na operação do sistema magnético.
7. Quem está aprendendo agora a realizar reações termonucleares?
Muitos países estão construindo seus próprios reatores de fusão. Existem reatores experimentais no Cazaquistão, China, EUA e Japão. O Instituto Kurchatov está trabalhando no reator IGNITOR. A Alemanha lançou o reator de fusão Wendelstein 7-X stellarator.
O projeto internacional mais famoso é o ITER tokamak (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) no Cadarache Research Centre (França). Sua construção deveria ser concluída em 2016, mas a quantidade de apoio financeiro necessário aumentou e o cronograma dos experimentos mudou para 2025. A União Europeia, os EUA, a China, a Índia, o Japão, a Coreia do Sul e a Rússia participam nas atividades do ITER. A principal participação no financiamento é desempenhada pela UE (45%), o restante dos participantes fornece equipamentos de alta tecnologia. Em particular, a Rússia produz materiais e cabos supercondutores, tubos de rádio para aquecimento de plasma (girotrons) e fusíveis para bobinas supercondutoras, além de componentes para a parte mais complexa do reator - a primeira parede, que deve suportar forças eletromagnéticas, radiação de nêutrons e radiação plasmática.
8. Por que ainda não usamos reatores termonucleares?
As instalações tokamak modernas não são reatores termonucleares, mas instalações de pesquisa nas quais a existência e preservação do plasma são possíveis apenas por um tempo. O fato é que os cientistas ainda não aprenderam a manter o plasma no reator por muito tempo.
No momento, uma das maiores conquistas no campo da fusão nuclear é o sucesso de cientistas alemães que conseguiram aquecer o gás hidrogênio a 80 milhões de graus Celsius e manter uma nuvem de plasma de hidrogênio por um quarto de segundo. E na China, o plasma de hidrogênio foi aquecido a 49,999 milhões de graus e mantido por 102 segundos. Cientistas russos do (G. I. Budker Institute of Nuclear Physics, Novosibirsk) conseguiram atingir um aquecimento estável do plasma de até dez milhões de graus Celsius. No entanto, os americanos propuseram recentemente um método para confinar o plasma por 60 anos - e isso inspira otimismo.
Além disso, há controvérsias quanto à lucratividade da fusão na indústria. Não se sabe se os benefícios da geração de eletricidade compensarão os custos da fusão. Propõe-se experimentar reações (por exemplo, abandonar a reação tradicional deutério-trítio ou monopropelente em favor de outras reações), materiais estruturais - ou mesmo abandonar a ideia de fusão termonuclear industrial, usando-a apenas para reações individuais em fissão reações. No entanto, os cientistas ainda continuam a experimentar.
9. Os reatores de fusão são seguros?
Relativamente. O trítio, que é usado em reações termonucleares, é radioativo. Além disso, os neurônios liberados como resultado da fusão irradiam a estrutura do reator. Os próprios elementos do reator são cobertos com poeira radioativa devido à exposição ao plasma.
No entanto, um reator de fusão é muito mais seguro do que um reator nuclear em termos de radiação. Existem relativamente poucas substâncias radioativas no reator. Além disso, o próprio projeto do reator pressupõe a ausência de "buracos" através dos quais a radiação pode vazar. A câmara de vácuo do reator deve ser selada, caso contrário, o reator simplesmente não pode funcionar. Durante a construção de reatores termonucleares, são utilizados materiais testados pela energia nuclear e a pressão reduzida é mantida nas salas.
Os cientistas costumam dizer algo como “em 20 anos resolveremos todas as questões fundamentais”. Os engenheiros nucleares estão falando sobre a segunda metade do século XXI. Os políticos falam de um mar de energia limpa por um centavo, sem se preocupar com datas.
Centenas de milhões de anos atrás, os minerais sob a superfície da Terra poderiam reter vestígios de uma substância misteriosa. Resta apenas chegar até eles. Mais de duas dúzias de laboratórios subterrâneos espalhados pelo mundo estão ocupados em busca de matéria escura.
Cientistas dos institutos da SB RAS que visitaram os países Sudeste da Ásia, falou sobre como simples vendedores de peixe nos bazares locais, com a ajuda da "tecnologia" chinesa simples, prolongaram a vida útil de seus produtos.
No programa OTR "Grande Ciência. Grande no Pequeno", Diretor do Instituto G.I. Budker de Física Nuclear da Seção Siberiana da Academia Russa de Ciências, o acadêmico Pavel Logachev falou sobre o papel da "Fábrica S-Tau" em o desenvolvimento da pesquisa científica e o que deu origem ao seu nome.
