FANDOM


Reaktor termojądrowy, nuklearny Edytuj

Marisandoz5

Synteza jądrowa jest przeciwieństwem reakcji rozszczepienia. Oba procesy: łączenie (fuzja) jąder lekkich i rozszczepienie jąder ciężkich, prowadzą do wydzielania się energii. W wyniku fuzji otrzymuje się jądro, którego masa jest mniejsza od masy jąder początkowych. Jądra atomowe mają ładunek elektryczny. Aby nastąpiło ich połączenie, musi dojść do ich zderzenia przy bardzo dużych prędkościach, umożliwiających pokonanie elektrycznych sił odpychających. Prędkości takie osiągane są jedynie w skrajnie wysokich temperaturach, takich jakie występują np. w środku Słońca lub innych gwiazd. Łączenie się jąder w takich temperaturach nazywa się syntezą (reakcją) termojądrową. W środku Słońca w każdej sekundzie następuje przemiana 657 milionów ton wodoru w 653 miliony ton helu. Brakujące 4 miliony ton przejawiają się w postaci energii promienistej. W przyszłości część ciepła wydzielanego podczas reakcji syntezy będzie zamieniana w energię elektryczną. Podczas reakcji termojądrowej powstają jądra o większej energii wiązania. Podczas rozszczepienia ok. 0,1% masy zamienia się w energię; podczas syntezy możemy osiągnąć wartość 0,7% masy. Liczby te nie zależą od tego, gdzie zachodzi reakcja: w reaktorze, bombie czy gwieździe. W każdej reakcji powstają co najmniej dwie cząstki. Na przykład przy łączeniu się dwóch jonów deuteru powstaje jądro helu He-3 i neutron, a nie samotne jądro helu. Synteza dwóch izotopów wodoru: deuteru i trytu. Reakcja ta może być podstawą działania przyszłych elektrowni termojądrowych. Wysokoenergetyczne neutrony mogą wydostawać się z plazmy znajdującej się wewnątrz reaktora i ogrzewać otaczający go środek, który z kolei może zamienić ciepło w inną formę energii. Jądra helu mogą pozostawać w reaktorze i zapewniać plazmie odpowiednią temperaturę. Pojedyńczy akt fuzji atomów wodoru dostarcza mniej energii niż rozszczepienie jednego jądra uranu. Ale w odniesieniu do jednego grama masy reakcja syntezy jest kilka razy wydajniejsza niż reakcja rozszczepienia. W jednym gramie wodoru znajduje się znacznie więcej atomów wodoru niż atomów uranu w jednym gramie uranu. Wodór (głównie w postaci deuteru) jest dzięki temu najbardziej pożądanym surowcem dla reakcji termojądrowej. Jeszcze przed skonstruowaniem bomby atomowej było niemożliwe osiągnięcie temperatur niezbędnych do zapoczątkowania reakcji syntezy. Później okazało się, że temperatura wewnątrz wybuchającej bomby jest 4-5 razy większa niż w środku Słońca. Bomba termojądrowa była już tylko kwestią czasu. Pierwsza bomba termojądrowa została zdetonowana w 1952 roku. Bomba atomowa musi zawierać dostateczną ilość materiału rozszczepialnego (o masie przekraczającej masę krytyczną); w bombie termojądrowej (wodorowej) nie ma żadnych ograniczeń tego typu. Paliwo termojądrowe można składować w dowolnej ilości bez obawy wybuchu, podobnie jak paliwo na stacji benzynowej. Można żywić nadzieję, że syntezę termojądrową uda się ujarzmić w sposób kontrolowany, co byłoby źródłem nieograniczonych ilości czystej energii.
Przeprowadzenie kontrolowanej reakcji termojądrowej wymagałoby temperatury rzędu setek milionów stopni. Wytworzenie i utrzymanie takich temperatur z zachowaniem
odpowiedniej gęstości jest obecnie przedmiotem wielu badań. Wysokie temperatury powstają w łukach elektrycznych, w których wstrzyknięte gazy ulegają jonizacji i
zamieniają się w plazmę. Dalsze ogrzewanie dokonuje się metodą rezonansu elektromagnetycznego i sprzężenia magnetycznego. Synteza termojądrowa wymaga
temperatur przewyższających 100 milionów stopni. Wszystkie znane materiały topią się w temperaturze 4000°C. Zbiornik na plazmęnie wytrzyma takich temperatur.
Obecnie wkłada się olbrzymi wysiłek w opracowanie różnych urządzeń magnetycznych do uwięzienia plazmy. Produkty syntezy termojądrowej nie są promieniotwórcze.
Składowanie odpadów nie przedstawia większego problemu. Paliwem syntezy termojądrowej jest wodór, najbardziej rozpowszechniony pierwiastek we wszechświecie.
Najprostszym przykładem takiej reakcji jest łączeni się jego izotopów: deuteru i trytu. Deuter występuje w zwykłej wodzie, a tryt powstaje w reaktorze termojądrowym.
Na przykład 30 litrów wody morskiej zawiera 1 gram deuteru; może on dać energię odpowiadającą 10000 litrów benzyny lub 80 tonom trotylu. Obfitość paliwa termo-
jądrowego sprawia, że ilość wyzwalanej w kontrolowany sposób energii jest praktycznie nieograniczona. Postęp w energetyce termojądrowej jest bardzo wolny i
trudny zarazem. Badania w tej dziedzinie trwają już blisko 50 lat. Jest ona największym wyzwaniem naukowym i technologicznym, z jakim się spotykamy.
Wszystko przemawia za tym, że wszelkie trudności zostaną pokonane i energia termojądrowa będzie głównym źródłem energii dla przyszłych pokoleń.


Sposoby kontrolowania reakcji termojądrowejEdytuj

Favororinfluence1

Pole magnetyczne, które nie jest czymś materialnym i wytrzymuje każdą temperaturę, może wpływać w sposób zasadniczy na ruch cząstek naładowanych. Odpowiednio silne pole magnetyczne można ukształtować tak, by utrzymywało plazmę w pewnego rodzaju "kaftanie" magnetycznym. Może ono tak ścieśnić plazmę, by powstało w niej temperatura umożliwiająca syntezę. Plazma nie stapia ścianek elektromagnesu, nawet gdy jej temperatura wynosi miliard stopni, gdyż jej gęstość jest bardzo mała, wskutek czego zawiera ona bardzo małą ilość ciepła. W celu zapewnienia kontroli nad reakcją i zapobieżenia jej wybuchowi gęstość plazmy utrzymuje się na poziomie 10 tysięcy razy niższym od gęstości atmosfery. Plazmę należy utrzymywać w pewnej odległości od ścian również dlatego, by kontakt z nimi nie powodował hamowania jonw i tym samym oziębienia plazmy. Niektóre jony o temperaturze miliona stopni poruszają się na tyle szybko, że mogą pokonać barierę odpychania elektrycznego i złączyć się, ale wyzwolona przy tym energia jest dużo mniejsza od energii zużytej na podgrzanie plazmy. Również w temperaturze 100 milionów stopni bilans energii jest niekorzystny. Równowaga między enrgią włożoną i uzyskaną następuje dopiero w temperaturze 350 milionów stopni. Jednak do takiego "przełomu" od warunków laboratoryjnych do skali przemysłowej jest jeszcze daleka droga. W elektrowni moc musi być utrzymywana znacznie dłużej niż przez ułamek sekundy. Chociaż w kilku laboratoriach uzyskano już nadwyżkę z reakcji syntezy termojądrowej, to jednak niestabolności w plazmie są na tyle duże, iż podtrzymywanie tej reakcji przez dłuższy czas okazuje się niemożliwe. Jednym z najtrudniejszych problemów jest stworzenie takiego układu pól, który by utrzymywał plazmę w jednym miejscu przez dłuższy czas, umożliwiając fuzję dużej liczby jonów.


Circularmanner1

Drugu sposób kontrolowania reakcji termojądrowej polega na wykorzystaniu laserów dużej mocy, dzięki którym można w ogóle zrezygnować z pola magnetycznego. W tym celu można ustawić szereg laserów tak, by były wycelowanw w jeden punkt, do którego wpuszcza się zestalone kulki z cięższych izotopów wodoru. Do kulek tych "strzela" się jednocześnie ze wszystkich laserów, w yniku czego następuje zgniecenie tej mieszaniny deuteru i trytu do gęstości 20 razy większej od gęstości ołowiu. Następuje zapłon, w wyniku którego "spaleniu" ulega większa część wodoru, zamieniając się w hel i neutrony. Wylatują one na zewnątrz , unosząc energię kinetyczną równoważną z ubytkiem masy w tej reakcji. Proces ten trwa jedną dziesiątą miliardowej części sekundy i dostarcza kilkaset razy więcej energii niż wynosiła energia promieni laserowych służących do sprężania i "podpalenia" kulek. Podobnie jak małe wybuchy mieszanki benynowej w cylindrach silników samochodowych zamieniają się w jeden płynny strumień mocy mechanicznej, tak i kolejne podpalenia spadających kulek w elektrowni termojądrowej mogą wytwarzać stały strumień prądu elektrycznego. Powodzenie tej metody uzależnione jest od dokładności synchronizacji układu laserów-sprężenie musi nastąpić wcześniej, zanim fala uderzeniowa może spowodować rozbicie kulki. Ponadto pożadane byłyby lasery o większej mocy. Synteza laserowa nie doczekała się jeszcze przełomu.


Jeszcze inna metoda polega na strzelaniu do kulek wodorowych strumieniem elektronów lub jonów, a nie światłem laserowym.

Ad blocker interference detected!


Wikia is a free-to-use site that makes money from advertising. We have a modified experience for viewers using ad blockers

Wikia is not accessible if you’ve made further modifications. Remove the custom ad blocker rule(s) and the page will load as expected.

Więcej z Fandomu

Losowa wiki