1. Ydinvoima on tieteen ja teollisuusteknologian ala, jossa kehitetään ja käytetään käytännössä menetelmiä ja keinoja ydinenergian muuntamiseksi lämpö- ja sähköenergiaksi. Ydinvoiman perusta ovat ydinvoimalat (NPP). Ydinvoimalaitosten energialähteenä ovat ydinreaktorit, joissa tapahtuu raskaiden alkuaineiden, pääasiassa U-235:n ja Pu-239:n, ytimien halkeamisen kontrolloitu ketjureaktio.
Ydinreaktoreita on kahta tyyppiä: hidasneutronireaktorit ja nopeat neutronireaktorit. Suurin osa maailman ydinvoimaloista on rakennettu hitaiden neutronireaktorien pohjalle. Ensimmäiset Yhdysvaltoihin (1942), Neuvostoliittoon (1946) ja muihin kehittyneisiin maihin rakennetut reaktorit oli tarkoitettu tuottamaan aselaatuista plutonium Pu-239:ää. Niissä vapautunut lämpö oli sivutuote. Tämä lämpö poistettiin reaktorista jäähdytysjärjestelmän avulla ja päästettiin yksinkertaisesti ympäristöön.
Lämmön vapautumismekanismi reaktorissa on seuraava. Uraaniytimen fission aikana syntyneet kaksi fragmenttia kuljettavat pois valtavan, noin 200 MeV:n kineettisen energian. Niiden alkunopeus on 5000 km/s. Liikkuessaan uraanin, hidastimen tai rakenneosien välillä nämä atomien kanssa törmäävät fragmentit siirtävät energiansa niihin ja hidastuvat vähitellen lämpönopeuksiin. Reaktorin sydän lämpenee. Lisäämällä ydinreaktion intensiteettiä on mahdollista saavuttaa suurempia lämpötehoja.
Reaktorissa syntyvä lämpö poistetaan nestemäisellä tai kaasumaisella jäähdytysnesteellä. Yleensä jäähdytysreaktori muistuttaa höyryputkikattilaa (vesi virtaa uunin sisällä olevien putkien läpi ja lämpenee). Siksi "ydinreaktorin" käsitteen ohella käytetään usein synonyymiä "ydinkattila".
Kuvassa Kuva 144 esittää kaavion ydinvoimalaitoksesta reaktorissa 1. Neutronivuon tiheys toimivan reaktorin sisällä saavuttaa 10 14 hiukkasta 1 cm 2:n välein sekunnissa.
Reaktorin lämpö- ja sähköteho erotetaan toisistaan. Sähköteho on enintään 30 % lämpötehosta. Maailman ensimmäinen ydinvoimala rakennettiin vuonna 1954 Neuvostoliitossa Obninskiin. Sen lämpöteho on 30 MW, sähköteho 5 MW. Uraani-grafiittihitaiden neutronien reaktorin aktiivinen vyöhyke on sylinterin muotoinen, jonka halkaisija on 1,5 m ja korkeus 1,7 m. Jäähdytysneste on vettä. Veden lämpötila reaktorin sisääntulossa on + 190°C, ulostulossa + 280°C, paine 100 atm.
Reaktorin kuorma on 550 kg uraania rikastettuna 5 %:iin. Käyttöaika nimellisteholla on 100 päivää. U-235:n suunnittelupalama on 15 %. Reaktorissa on 128 polttoaine-elementtiä (polttoaine-elementtiä). Obninskin ydinvoimala rakennettiin tavoitteena kehittää ydinenergian teknologisia ratkaisuja. Myöhemmissä sarjaydinvoimalaitoksissa reaktorien kuormitus ja teho kasvavat satoja kertoja.
2. Hidas neutroni ydinreaktori. Kuten 21 §:ssä jo mainittiin, ydinreaktorien kehittämisen päätehtävänä oli, että reaktori voisi toimia luonnonuraanilla, ts. uutettu kemiallisesti malmeista ja sisältää luonnollisen isotooppiseoksen: U-238 (99,282 %), U-235 (0,712 %), U-234 (0,006 %) tai suhteellisen halvalla matalarikasteisella uraanilla, jonka isotooppipitoisuus on on U-235 tai Pu-239 nostettu 2-5 prosenttiin.
Tätä varten on täytyttävä kolme ehtoa: ensinnäkin reaktorissa olevan halkeamiskelpoisen materiaalin massan (U-235 tai Pu-239) on oltava vähintään kriittinen sen tietylle konfiguraatiolle. Tämä tarkoittaa, että keskimäärin yksi neutroni kussakin ydinfissiotapahtumassa syntyvästä lukumäärästä voi aiheuttaa seuraavan fissiotapahtuman. Toiseksi neutronit on hidastettava lämpönopeuksiin, ja tämä on tehtävä siten, että minimoidaan niiden häviöt, jotka johtuvat halkeamattomien aineiden ytimien säteilyn talteenotosta. Kolmanneksi, kehittää periaatteita ja luoda keinoja hallita ydinketjureaktiota. Vaikka kaikki nämä ehdot liittyvät toisiinsa, jokaiselle niistä on mahdollista tunnistaa tärkeimmät toteutustavat.
A. Halkeavan materiaalin kriittisen massan saavuttaminen on mahdollista kahdella tavalla: yksinkertaisesti lisäämällä uraanin massaa ja rikastamalla uraania. Halkeavan materiaalin alhaisesta pitoisuudesta johtuen sen kriittinen massa reaktorissa on paljon suurempi kuin atomipommissa. Esimerkiksi Obninskin ydinvoimalassa /m cr U-235 on noin 25 kg. Nykyaikaisemmissa suurtehoreaktoreissa m cr saavuttaa useita tonneja. Reaktorin neutronivuodosta aiheutuvien häviöiden vähentämiseksi sen sydäntä ympäröi neutroniheijastin. Tämä on aine, jossa on kevyitä ydintä ja joka absorboi heikosti neutroneja (grafiitti, beryllium).
b. Neutronien maltillisuus. Kuva 145 esittää U-235:n fissioituvien ytimien emittoimien neutronien energiaspektriä. Abskissa-akselilla on neutronien kineettinen energia E ja ordinaatta-akselilla on suhteellinen taajuus ΔN/N tällaisen energian toistuessa tavanomaisissa yksiköissä. Käyrän maksimi on E = 0,645 MeV. Kuvasta nähdään, että U-235-ytimien fissio tuottaa pääosin nopeita neutroneja, joiden energia on E > 1 MeV.
Kuten aiemmin mainittiin, tehollinen poikkileikkaus U-235-ytimien neutronien sieppaamiseksi on maksimi lämpöneutroneilla, kun niiden energia E< 1 Мэв. Поэтому для наиболее эффективного использования нейтронов их надо замедлять до тепловых скоростей. Казалось бы, это можно сделать простым наращиванием массы естественного урана. В этом случае нейтроны, последовательно сталкиваясь с ядрами урана, должны постепенно уменьшать свою энергию и приходить к тепловому равновесию с массой урана. Но в естественном уране на 1 ядро U-235 приходиться 140 ядер U-238. Сечение радиационного захвата быстрых нейтронов ядрами U-238 невелико (σ=0,3 барна), и этот путь был бы возможен, если бы не резонансная область (см. рис.139), где σ возрастает в тысячи раз. Например, при энергии нейтронов E=7эВ σ достигает 5000 барн. Нейтроны этот диапазон энергий в уране не пройдут. Они почти все будут захвачены ядрами U-238
Jotta tällaista absorptiota ei tapahdu, neutronit on poistettava uraanimassasta, hidastettava hidastimessa, joka absorboi heikosti neutroneja (grafiitti, raskas vesi, beryllium) ja palautettava takaisin uraanimassaan (diffuusi). ohuiksi polttoaine-elementtien putkiksi (polttoainesauvat) . Ja polttoainesauvat upotetaan moderaattorikanaviin.
Tyypillisesti polttoainesauvat ovat ohutseinäisiä putkia, joiden halkaisija on 15-20 mm ja jotka on valmistettu zirkoniumseoksesta. Ydinpolttoaine sijoitetaan polttoainesauvojen sisään uraanioksidista U0 2 puristettujen tablettien muodossa. Oksidi ei sintraudu korkeissa lämpötiloissa ja on helppo poistaa polttoainesauvoja ladattaessa. Reaktorisydämen koosta riippuen polttoainesauvojen pituus voi olla 7-8 metriä. Useita polttoainesauvoja asennetaan säiliöihin, jotka ovat halkaisijaltaan 10-20 cm tai prismoja. Kun reaktorit ladataan, nämä säiliöt vaihdetaan ja niiden purkaminen ja polttoainesauvojen vaihto suoritetaan laitoksella.
Itse reaktori on useimmiten sylinteri, jonka yläpohjan läpi tehdään pystysuorat kanavat ruutukuvioisesti. Näihin kanaviin sijoitetaan säiliöt, joissa on polttoainesauvat ja vaimentimen ohjaussauvat.
V. Ydinketjureaktion hallinta suoritetaan tangoilla, jotka on valmistettu materiaaleista, jotka absorboivat voimakkaasti neutroneja - kadmium 48 113 Cd ja boori 5 10 V. Jälkimmäinen on usein karbidin B 4 C muodossa (kadmiumin sulamispiste 321 ° C, boorin 2075 ° C). Niiden absorptiopoikkileikkaukset ovat σ = 20 000 ja 4 000 barn. Absorbersauvojen parametrit lasketaan siten, että kun sauvat on asetettu kokonaan sisään, ydinreaktiota ei varmasti tapahdu reaktorissa. Kun sauvat poistetaan asteittain, kerroin K ytimessä kasvaa ja tangon tietyssä asennossa saavuttaa yhtenäisyyden. Tällä hetkellä reaktori alkaa toimia. Käytön aikana K-kerroin pienenee asteittain johtuen reaktorin saastumisesta fissiofragmenteilla. Tämä K:n lasku kompensoidaan sauvojen pidentymisellä. Jos reaktion intensiteetti kasvaa äkillisesti, on lisäsauvoja. Niiden nopea vapautuminen ytimeen pysäyttää reaktion välittömästi.
Reaktorin ohjausta helpottaa viivästettyjen neutronien läsnäolo. Niiden osuus eri isotoopeista vaihtelee välillä 0,6-0,8 % U-235:n osalta noin 0,64 %. Viivästyneitä neutroneja tuottavien fissiofragmenttien keskimääräinen puoliintumisaika on T = 9 s, yhden viivästettyjen neutronien sukupolven keskimääräinen elinikä on τ = T/ln2 = 13 s.
Reaktorin kiinteän toiminnan aikana nopeiden neutronien kerroin on K b = 1. Kokonaiskerroin K = K b + K eroaa yksiköstä viivästettyjen neutronien osuudella ja voi olla K = 1 + 0,006. Toisessa sukupolvessa 13 sekunnin kuluttua neutronien lukumäärä on N = N 0 K 2 = N 0 (1.006)2 = 1.012MN 0. Kymmenennessä sukupolvessa 130 sekunnin kuluttua niiden lukumäärä on N 0 K 10 = 1,062 MN 0, mikä on vielä kaukana hätätilanteesta. Siksi sydämen neutronivuon tiheyden seurantaan perustuva automaattinen ohjausjärjestelmä pystyy varsin tarkkailemaan pienimpiäkin vivahteita reaktorin toiminnassa ja reagoimaan niihin säätösauvoja liikuttamalla.
3. Reaktorin myrkytys- tämä on radioaktiivisten tuotteiden kertymistä siihen. Stabiilien tuotteiden kerääntymistä siihen kutsutaan reaktorin kuonaksi. Molemmissa tapauksissa kerääntyy ytimiä, jotka absorboivat intensiivisesti neutroneja. Tehokkaimman ksenon-135-myrkyttimen sieppauspoikkileikkaus saavuttaa 2,6 * 10 6 navetta.
Xe-135:n muodostumismekanismi on seuraava. Kun U-235 tai Pu-239 fissoidaan hitaiden neutronien toimesta, todennäköisyydellä 6%, saadaan fragmentti - telluuriydin 52 135 Te. Te-135:ssä tapahtuu 0,5 minuutin aikana β-hajoaminen, jolloin se muuttuu jodi-isotoopin I ytimeksi. Tämä isotooppi on myös β-aktiivinen 6,7 tunnin ajanjaksolla. I-135:n hajoamistuote on ksenon-isotooppi 54 135 Xe. Ajanjaksolla T = 9,2 tuntia, Xe-135 käy läpi β-hajoamisen, muuttuen käytännössä stabiiliksi cesiumin isotoopiksi 55 135 Cz. (/T = 3*10 6 vuotta).
Muut hajoamismallit tuottavat muita haitallisia ytimiä, kuten samarium 62 139 Sm. Myrkytys tapahtuu erityisen nopeasti reaktorin käytön alkuvaiheessa. Ajan myötä hajoamistuotteiden välille muodostuu radioaktiivinen tasapaino. Tästä hetkestä lähtien reaktorin kuona alkaa lisääntyä.
Heterogeeniseksi kutsutaan reaktoria, jossa halkeamiskelpoinen materiaali (uraani), hidastin (grafiitti) ja absorboija (kadmium) ovat erillisiä faaseja ja rajapintoja. Jos kaikki nämä nestemäisessä tai kaasumaisessa tilassa olevat alkuaineet edustavat yhtä yhteistä faasia, reaktoria kutsutaan homogeeniseksi. Energiaketjuja varten rakennetaan yksinomaan heterogeenisia reaktoreita.
5. Nopeat neutronireaktorit. Kaikki neutronit fissioivat U-235:n, Pu-239:n ja U-233:n ytimet. Siksi, jos lisäät uraanin rikastamista esimerkiksi U-235-isotoopilla, niin halkeavien ytimien pitoisuuden lisääntymisen vuoksi yhä suurempi osa neutroneista fissoi U-235-ytimiä jättämättä uraanimassaa. . Tietyllä fissioituvien ytimien pitoisuudella ja riittävällä uraanin massalla ytimessä neutronien moninkertaistuskerroin saavuttaa yhtenäisyyden niitä hidastamattakin. Reaktori toimii nopeilla neutroneilla (lyhennettynä nopea reaktio).
Nopean reaktion etuna hitaaseen reaktioon (eli reaktioon, jossa on hitaita neutroneja) verrattuna on, että neutroneja käytetään tehokkaammin. Tämän seurauksena ydinpolttoaineen lisääntyminen lisääntyy. Hitaassa 2,5 neutronin reaktiossa 1 menee myös U-235-ytimeen ylläpitäen reaktion, noin 1 menee U-238-ytimeen, jolloin muodostuu Pu-239 (ydinpolttoaine), ja 0,5 neutronia menetetään. Yksi ”palanut” U-235-ydin tuottaa noin yhden Pu-239-ytimen. Nopeassa reaktiossa 2,5 neutronista 1 käytetään myös reaktion ylläpitämiseen. Mutta alle 0,5 neutronia menetetään. Siksi enemmän neutroneja tulee U-238-ytimiin. Tämän seurauksena yli 1 Pu-239-ydin muodostuu yhtä "poltetun" U-235:n ydintä kohden. Ydinpolttoaineen lisääntynyt tuotanto on käynnissä. Nopeiden neutronireaktorien luominen ja toiminta on vaikeampaa kuin hitaita neutronireaktoreita. Ensinnäkin aktiivisen alueen tilavuus pienenee jyrkästi. Tämä lisää energiatiheyttä, mikä johtaa lämpötilan nousuun ja tiukentaa vaatimuksia rakennemateriaaleille ja jäähdytysnesteelle. Toiseksi vaatimukset reaktorin ohjausjärjestelmälle kasvavat, eli ohjausjärjestelmän suorittamien toimintojen nopeudelle.
6. Ydinenergian näkymät. Nykyään normaalisti toimivat ydinvoimalaitokset ovat puhtaimpia energialähteistä. Ne eivät päästä C0 2 - ja S0 2 -päästöjä, kuten lämpölaitokset, eivätkä siksi pahenna kasvihuoneilmiötä eivätkä tulvi peltoa vedellä, kuten vesivoimalat. Kun otetaan huomioon mahdollisuus jalostaa U-238 Pu-239:ksi ja Th-232 U-233:ksi, helposti saatavilla olevan ydinpolttoaineen varastot kestävät satoja vuosia. Ydinvoimaloiden käyttö säästää öljyä, kaasua ja hiiltä kemianteollisuudelle. Ydinvoimalaitoskannan laajentamiseen liittyy kaksi vaikeutta. Yksi on objektiivinen, sen ydin on, että ydinpolttoainejätteen ja reaktoriikänsä kuluneen rakenneosien loppusijoitukseen ja loppusijoitukseen liittyviä ongelmia ei ole täysin ratkaistu.
Toinen vaikeus on subjektiivinen. Lämpö- ja vesivoimalaitoksiin verrattuna ydinvoimalaitosten huolto vaatii korkeampaa teknistä kulttuuria ja asettaa ihmiselle valtavan vastuun. Pieninkin poikkeama teknisestä kurinalaisuudesta voi johtaa tragediaan tuhansille ihmisille.
7. Fuusio. Spesifisen sitoutumisenergian jakautumiskäyrästä seuraa, että kevyiden ytimien fuusiossa yhdeksi ytimeksi, kuten raskaiden ytimien fissio, on seurattava valtavan energiamäärän vapautumista. Kaikissa ytimissä on sama positiivinen varaus. Jotta ne saataisiin lähemmäksi etäisyyttä, josta fuusio alkaa, kahta vuorovaikutuksessa olevaa ydintä on kiihdytettävä toisiaan kohti. Tämä voidaan tehdä kahdella tavalla. Ensinnäkin kiihdytinten avulla. Tämä tie on raskas ja tehoton. Toiseksi yksinkertaisesti lämmitä kaasu vaadittuun lämpötilaan. Siksi kevyiden ytimien fuusioreaktioita, jotka alkavat lämmittämällä kaasua, kutsutaan lämpöydinreaktioksi. Arvioikaa deuteriumkaasun lämpötila, jossa deuteriumin + deuteriumin lämpöydinfuusio alkaa. 1 2 H+ 1 2 H → 2 3 He + 0 1 n + 3,27 MeV.
Ytimen yhdistämiseksi ne on saatettava yhteen etäisyydellä r = 2*10 -15 m Potentiaalienergian tällaisen lähentymisen aikana tulee olla yhtä suuri kuin järjestelmän molempien ytimien kineettinen energia
massan keskipiste (1/4πε 0)*(e2/r) = 2*(mυ2/2) = 2*(3/2)* kT. Kaasun lämpötila T=(1/3K)*(1/4πε 0)*(e 2 /r)=3*10 9 K. Hiukkasten energiajakauma on lähellä Maxwellialaista. Siksi siellä on aina "kuumempia" hiukkasia, ja myös tunneliefektin vuoksi fuusioreaktio alkaa alemmissa lämpötiloissa T ≈ 10 7 K.
Reaktion lisäksi kaksi muuta ovat erityisen kiinnostavia: deuterium + deuterium ja deuterium + tritium. 2 1 H + 1 2 H+ 1 2 p + 4,03 MeV. (22,3) ja 1 2 H + 1 3 H → 2 4 He + 0 1 n +17,59 MeV. (22.4)
Jälkimmäinen reaktio vapauttaa noin 5 kertaa enemmän energiaa massayksikköä kohti kuin U-235:n fissio. Tämä energia on neutronien ja niistä muodostuvien heliumytimien liikkeen kineettistä energiaa. Maanpäällisissä olosuhteissa oli mahdollista toteuttaa ydinfuusioreaktio termoydinvetypommin hallitsemattoman räjähdyksen muodossa.
8. Vetypommi on tavanomainen atomipommi, jonka ydinpanos (U-235 tai Pu-239) on ympäröity kevyitä atomeja sisältävän aineen peitolla. Esimerkiksi litiumdeuteridi LiD. Korkea lämpötila, joka syntyy, kun atomivaraus räjäytetään, käynnistää kevyiden atomien lämpöydinfuusion. Tämä vapauttaa lisäenergiaa, mikä lisää pommin tehoa. Reaktioiden (22.1) ja (22.3) lisäksi pommissa, jossa on litiumdeuteridihuopa, voi tapahtua toinenkin. 3 6 Li+ 1 1 p→ 2 4 He + 2 3 He + 4 MeV. (22.5). (22.4). Mutta tritium on β - aktiivinen alkuaine. 12 vuoden ajanjaksolla siitä tulee He-3. Siksi tritiumia sisältävien vetypanosten säilyvyysaika on rajoitettu ja ne on testattava säännöllisesti. Termoydinfuusion aineet eivät tuota radioaktiivisia tuotteita. Mutta voimakkaan neutronivuon ansiosta radioaktiivisuus indusoituu rakennemateriaalien ytimissä ja ympäröivissä kappaleissa. Siksi on mahdotonta toteuttaa "puhdasta" fuusioreaktiota ilman radioaktiivista jätettä.
9. Hallitun lämpöydinfuusion (U HS) ongelma ei ole vielä ratkaistu. Sen ratkaisu on erittäin lupaava energia-alalle. Merien ja valtamerten vesi sisältää noin 0,015 % deuteriumia (atomien lukumäärän mukaan). Maapallolla on noin 10-20 kg vettä. Jos otat deuteriumin tästä vedestä, niin siitä saatava energia vastaa 6 * 10 18 K)" tonnia hiiltä, tämä on jättimäinen määrä (noin 0,001 Maan massaa). Siksi deuterium merissä ja valtameret ovat käytännössä ehtymätön energialähde.
CTS:n ongelma liittyy kahteen tehtävään. Ensinnäkin sinun on opittava luomaan korkea lämpötila T>10 7 K rajoitetussa tilavuudessa. Toiseksi, pitää plasman tilavuus tässä lämpötilassa riittävän pitkään fuusioreaktion esiintyminen. Molemmat ongelmat ovat kaukana ratkaisusta.
10. Tähtien lämpöydinreaktiot. Nykyaikaisten käsitysten mukaan tähti syntyy laajennetuista kaasu- ja pölypilvistä, jotka koostuvat pääasiassa vedystä. Gravitaatiopuristuksen seurauksena pilvi tihenee ja alkaa riisua ja muuttuu prototähdeksi. Kun lämpötila prototähden keskustassa saavuttaa 10 7 K, kevyiden alkuaineiden, pääasiassa vedyn, synteesin lämpöydinreaktiot kiihtyvät lisääntyneen kaasukineettisen ja optisen paineen vuoksi. Prototähti muuttuu tähdeksi. Vedyn muuntamiseksi heliumiksi on kaksi mahdollista sykliä. Tärkeimmät reaktiot, jotka muodostavat kunkin syklin, on lueteltu alla. Suluissa reaktioyhtälöiden vieressä on ilmoitettu keskimääräinen reaktioaika τ, joka on laskettu käyttämällä tehollista reaktion poikkileikkausta tähden sisällä vallitseville paineille ja lämpötiloille.
Fuusioreaktio on seuraava: otetaan kaksi tai useampi atomiydin ja tuodaan tiettyä voimaa käyttäen niin lähelle, että sellaisilla etäisyyksillä vaikuttavat voimat ylittävät Coulombin hylkimisvoimat yhtä varautuneiden ytimien välillä, jolloin muodostuu atomiydin. uusi ydin. Sen massa on hieman pienempi kuin alkuperäisten ytimien massojen summa, ja erosta tulee reaktion aikana vapautuva energia. Vapautuvan energian määrää kuvaa hyvin tunnettu kaava E=mc². Kevyempiä atomiytimiä on helpompi saattaa yhteen halutulle etäisyydelle, joten vety - maailmankaikkeuden runsain alkuaine - on paras polttoaine fuusioreaktioon.
On havaittu, että kahden vedyn isotoopin, deuteriumin ja tritiumin, seos vaatii fuusioreaktioon vähiten energiaa verrattuna reaktion aikana vapautuvaan energiaan. Vaikka deuterium-tritium (D-T) on useimpien fuusiotutkimusten kohteena, se ei kuitenkaan ole suinkaan ainoa mahdollinen polttoaine. Muut seokset voivat olla helpompia valmistaa; niiden reaktiota voidaan ohjata luotettavammin tai, mikä vielä tärkeämpää, tuottaa vähemmän neutroneja. Erityisen kiinnostavia ovat niin sanotut "neutronittomat" reaktiot, koska tällaisen polttoaineen menestyksekäs teollinen käyttö merkitsee sitä, että materiaalit ja reaktorin suunnittelu eivät sisällä pitkäaikaista radioaktiivista kontaminaatiota, millä puolestaan voi olla myönteinen vaikutus yleisöön. reaktorin käytön kokonaiskustannukset, mikä vähentää merkittävästi sen käytöstä poistamisen kustannuksia. Ongelmana on edelleen se, että vaihtoehtoisia polttoaineita käyttäviä synteesireaktioita on paljon vaikeampi ylläpitää, joten D-T-reaktiota pidetään vain välttämättömänä ensimmäisenä vaiheena.
Deuterium-tritium-reaktion kaavio
Hallitussa fuusiossa voidaan käyttää erilaisia fuusioreaktioita käytetyn polttoaineen tyypistä riippuen.
Deuterium + tritium -reaktio (D-T-polttoaine)
Helposti toteutettavissa oleva reaktio on deuterium + tritium:
2 H + 3 H = 4 He + n teholla 17,6 MeV (megaelektronivoltti)
Tämä reaktio on modernin tekniikan kannalta helpoimmin toteutettavissa, tarjoaa merkittävän energiasaannon ja polttoainekomponentit ovat halpoja. Sen haittapuoli on ei-toivotun neutronisäteilyn vapautuminen.
Kaksi ydintä: deuterium ja tritium sulautuvat yhteen muodostaen heliumytimen (alfahiukkasen) ja korkeaenergisen neutronin.
²H + ³He = 4 He + . jonka energiateho on 18,4 MeV
Sen saavuttamisen edellytykset ovat paljon monimutkaisemmat. Helium-3 on myös harvinainen ja erittäin kallis isotooppi. Sitä ei tällä hetkellä valmisteta teollisessa mittakaavassa. Sitä voidaan kuitenkin saada tritiumista, jota tuotetaan vuorostaan ydinvoimalaitoksissa.
Termoydinreaktion toteuttamisen monimutkaisuus voidaan luonnehtia kolminkertaisella tuotteella nTt (tiheys lämpötilan mukaan sulkuajan mukaan). Tällä parametrilla D-3He-reaktio on noin 100 kertaa monimutkaisempi kuin D-T-reaktio.
Deuteriumytimien välinen reaktio (D-D, yksiajoaine)
Myös deuteriumytimien väliset reaktiot ovat mahdollisia, ne ovat hieman vaikeampia kuin helium-3:n reaktiot:
Tämän seurauksena DD-plasman pääreaktion lisäksi tapahtuu myös seuraavaa:
Nämä reaktiot etenevät hitaasti rinnakkain deuterium + helium-3 -reaktion kanssa, ja niiden aikana muodostuneet tritium ja helium-3 reagoivat todennäköisesti välittömästi deuteriumin kanssa.
Muuntyyppiset reaktiot
Jotkut muun tyyppiset reaktiot ovat myös mahdollisia. Polttoaineen valinta riippuu monista tekijöistä - sen saatavuudesta ja alhaisesta hinnasta, energiantuotannosta, lämpöydinfuusioreaktioon vaadittavien olosuhteiden saavuttamisen helppoudesta (ensisijaisesti lämpötilasta), reaktorin tarvittavista suunnitteluominaisuuksista jne.
"Neutronittomat" reaktiot
Lupaavimpia ovat ns. "neutronittomat" reaktiot, koska lämpöydinfuusion synnyttämä neutronivuo (esimerkiksi deuterium-tritium-reaktiossa) kuljettaa pois merkittävän osan tehosta ja synnyttää indusoitunutta radioaktiivisuutta reaktorin suunnittelussa. Deuterium-helium-3-reaktio on lupaava neutronisaannon puutteen vuoksi.
ehdot
Litium-6:n ydinreaktio deuterium 6:n kanssa Li(d,α)α
TCB on mahdollinen, jos kaksi kriteeriä täyttyvät samanaikaisesti:
- Plasman lämpötila:
- Lawsonin kriteerin noudattaminen:
missä on korkean lämpötilan plasman tiheys, on plasman retentioaika järjestelmässä.
Näiden kahden kriteerin arvosta riippuu pääasiassa tietyn lämpöydinreaktion esiintymisnopeus.
Tällä hetkellä hallittua lämpöydinfuusiota ei ole vielä toteutettu teollisessa mittakaavassa. Kansainvälisen ITER-tutkimusreaktorin rakentaminen on alkuvaiheessa.
Fuusioenergia ja helium-3
Helium-3-varat maapallolla vaihtelevat 500 kg:sta 1 tonniin, mutta Kuussa sitä löytyy merkittäviä määriä: jopa 10 miljoonaa tonnia (minimiarvioiden mukaan - 500 tuhatta tonnia). Tällä hetkellä hallittu lämpöydinreaktio suoritetaan synteesillä deuterium ²H ja tritium ³H vapauttamalla helium-4 4 He ja "nopea" neutroni n:
Suurin osa (yli 80 %) vapautuneesta liike-energiasta tulee kuitenkin neutronista. Fragmenttien törmäysten seurauksena muiden atomien kanssa tämä energia muuttuu lämpöenergiaksi. Lisäksi nopeat neutronit synnyttävät merkittäviä määriä radioaktiivista jätettä. Sitä vastoin deuteriumin ja helium-3³He:n synteesi ei tuota (lähes) radioaktiivisia tuotteita:
Missä p on protoni
Tämä mahdollistaa yksinkertaisempien ja tehokkaampien järjestelmien, kuten magnetohydrodynaamisen generaattorin, käytön kineettisen synteesireaktion muuntamiseksi.
Reaktorin suunnittelu
Tarkastellaan kahta perusmallia kontrolloidun lämpöydinfuusion toteuttamiseksi.
Ensimmäisen tyyppisen lämpöydinreaktorin tutkimus on huomattavasti kehittyneempää kuin toisen. Ydinfysiikassa termoydinfuusiota tutkittaessa käytetään magneettiloukkua sisältämään plasmaa tietyssä tilavuudessa. Magneettiloukku on suunniteltu estämään plasman kosketus lämpöydinreaktorin elementteihin, ts. käytetään ensisijaisesti lämmöneristeenä. Rajauksen periaate perustuu varautuneiden hiukkasten vuorovaikutukseen magneettikentän kanssa, nimittäin varautuneiden hiukkasten pyörimiseen magneettikenttälinjojen ympäri. Valitettavasti magnetoitu plasma on erittäin epävakaa ja pyrkii poistumaan magneettikentästä. Siksi tehokkaan magneettisen ansan luomiseksi käytetään tehokkaimpia sähkömagneetteja, jotka kuluttavat valtavan määrän energiaa.
Fuusioreaktorin kokoa voidaan pienentää, jos siinä käytetään kolmea menetelmää fuusioreaktion luomiseksi samanaikaisesti.
A. Inertiaalinen synteesi. Säteilytä pieniä deuterium-tritiumpolttoainekapseleita 500 biljoonan watin laserilla:5. 10^14 W. Tämä jättimäinen, erittäin lyhyt 10^-8 sekunnin laserpulssi saa polttoainekapselit räjähtämään, mikä johtaa minitähdin syntymiseen sekunnin murto-osan ajaksi. Mutta lämpöydinreaktiota sillä ei saada aikaan.
B. Käytä Z-konetta samanaikaisesti Tokamakin kanssa.
Z-Machine toimii eri tavalla kuin laser. Se kulkee polttoainekapselia ympäröivän pienten lankojen verkon läpi latauksen, jonka teho on puoli biljoonaa wattia 5,10^11 wattia.
Seuraavaksi tapahtuu suunnilleen sama asia kuin laserilla: Z-iskun seurauksena muodostuu tähti. Z-Machinella suoritettujen testien aikana oli jo mahdollista käynnistää fuusioreaktio. http://www.sandia.gov/media/z290.htm Peitä kapselit hopealla ja yhdistä ne hopea- tai grafiittilangalla. Sytytysprosessi näyttää tältä: Ammu filamentti (kiinnitetty joukkoon hopeapalloja, jotka sisältävät deuteriumin ja tritiumin seosta) tyhjiökammioon. Muodosta häiriön (purkauksen) aikana salamakanava niitä pitkin, syötä virtaa plasman läpi. Säteilytä kapseleita ja plasmaa samanaikaisesti lasersäteilyllä. Ja samaan aikaan tai aikaisemmin käynnistä Tokamak. käyttää kolmea plasmalämmitysprosessia samanaikaisesti. Eli aseta Z-kone ja laserlämmitys yhteen Tokamakin sisään. Voi olla mahdollista luoda värähtelevä piiri Tokamak-käämeistä ja järjestää resonanssi. Silloin se toimisi taloudellisessa värähtelevässä tilassa.
Polttoainekierto
Ensimmäisen sukupolven reaktorit toimivat todennäköisesti deuteriumin ja tritiumin seoksella. Reaktion aikana ilmaantuvat neutronit imeytyvät reaktorin suojaukseen ja syntyvä lämpö käytetään lämmönvaihtimessa olevan jäähdytysaineen lämmittämiseen, ja tämä energia puolestaan käytetään generaattorin pyörittämiseen.
. .Reaktio Li6:n kanssa on eksoterminen, joka tuottaa vain vähän energiaa reaktorille. Reaktio Li7:n kanssa on endoterminen - mutta ei kuluta neutroneja. Ainakin jotkin Li7:n reaktiot ovat välttämättömiä reaktioissa menettäneiden neutronien korvaamiseksi muilla alkuaineilla. Useimmat reaktorimallit käyttävät luonnollisia litium-isotooppien seoksia.
Tällä polttoaineella on useita haittoja:
Reaktiossa syntyy huomattava määrä neutroneja, jotka aktivoivat (radioaktiivisesti saastutta- vat) reaktorin ja lämmönvaihtimen. Tarvitaan myös suojatoimenpiteitä mahdolliselta radioaktiivisen tritiumin lähteeltä.
Vain noin 20 % fuusioenergiasta on varautuneiden hiukkasten muodossa (loput ovat neutroneja), mikä rajoittaa kykyä muuntaa fuusioenergiaa suoraan sähköksi. D-T-reaktion käyttö riippuu käytettävissä olevista litiumvarannoista, jotka ovat huomattavasti pienemmät kuin deuteriumvarastot. Neutronien altistuminen D-T-reaktion aikana on niin merkittävää, että JET:n, tähän mennessä suurimman tätä polttoainetta käyttävän reaktorin, ensimmäisen testisarjan jälkeen reaktorista tuli niin radioaktiivinen, että vuotuisen testisyklin suorittamiseksi piti lisätä robotti-etähuoltojärjestelmä.
Teoriassa on vaihtoehtoisia polttoainetyyppejä, joilla ei ole näitä haittoja. Mutta niiden käyttöä haittaa perustavanlaatuinen fyysinen rajoitus. Riittävän energian saamiseksi fuusioreaktiosta on välttämätöntä säilyttää riittävän tiheä plasma fuusiolämpötilassa (10 8 K) tietyn ajan. Tämä fuusion perusnäkökohta kuvataan plasman tiheyden n tulolla ja lämmitetyn plasman pitoajan τ tulolla, joka vaaditaan tasapainopisteen saavuttamiseksi. Tulo, nτ, riippuu polttoaineen tyypistä ja on plasman lämpötilan funktio. Kaikista polttoainetyypeistä deuterium-tritium-seos vaatii alimman nτ-arvon vähintään suuruusluokan ja alimman reaktiolämpötilan vähintään 5 kertaa. Näin ollen D-T-reaktio on välttämätön ensimmäinen askel, mutta muiden polttoaineiden käyttö on edelleen tärkeä tutkimustavoite.
Fuusioreaktio teollisena sähkönlähteenä
Monet tutkijat pitävät fuusioenergiaa "luonnollisena" energialähteenä pitkällä aikavälillä. Fuusioreaktorien kaupallisen käytön kannattajat sähköntuotannossa esittävät seuraavat perustelut puoltavansa:
- Käytännössä ehtymättömät polttoainevarat (vety)
- Polttoainetta voidaan ottaa merivedestä millä tahansa maailman rannikolla, mikä tekee mahdottomaksi yhden tai ryhmän maiden monopolisoida polttoainetta
- Hallitsemattoman fuusioreaktion mahdottomuus
- Ei palamistuotteita
- Ei ole tarvetta käyttää materiaaleja, joita voidaan käyttää ydinaseiden valmistukseen, mikä eliminoi sabotaasi- ja terrorismitapaukset
- Ydinreaktoreihin verrattuna syntyy mitätön määrä radioaktiivista jätettä, jonka puoliintumisaika on lyhyt.
- Deuteriumilla täytetyn sormustimen arvioidaan tuottavan energiaa 20 tonnia hiiltä. Keskikokoinen järvi voi tarjota energiaa mille tahansa maalle sadoiksi vuosiksi. On kuitenkin huomattava, että olemassa olevat tutkimusreaktorit on suunniteltu saamaan aikaan suora deuterium-tritium (DT) -reaktio, jonka polttoainekierto edellyttää litiumin käyttöä tritiumin tuottamiseen, kun taas väitteet ehtymättömästä energiasta viittaavat deuterium-tritium-reaktion käyttöön. deuterium (DD) reaktio toisen sukupolven reaktoreissa.
- Aivan kuten fissioreaktio, fuusioreaktio ei tuota hiilidioksidipäästöjä ilmakehään, mikä on merkittävä tekijä ilmaston lämpenemiseen. Tämä on merkittävä etu, koska fossiilisten polttoaineiden käyttö sähkön tuotannossa johtaa esimerkiksi siihen, että USA tuottaa 29 kg CO 2:ta (yksi tärkeimmistä kaasuista, jota voidaan pitää ilmaston lämpenemisen aiheuttajana) Yhdysvaltain asukasta kohti päivässä. .
Sähkön hinta verrattuna perinteisiin lähteisiin
Kriitikot huomauttavat, että ydinfuusion käytön taloudellinen kannattavuus sähkön tuotannossa on edelleen avoin kysymys. Sama Ison-Britannian parlamentin Office of Science and Technology Recordsin tilaama tutkimus osoittaa, että fuusioreaktorilla sähköntuotannon kustannukset olisivat todennäköisesti perinteisten energialähteiden kustannusspektrin korkeammalla tasolla. Paljon riippuu tulevaisuuden teknologiasta, markkinarakenteesta ja sääntelystä. Sähkön hinta riippuu suoraan käytön tehokkuudesta, toiminnan kestosta ja reaktorin käytöstä poistamisen kustannuksista. Ydinfuusioenergian kaupallisen käytön kriitikot kiistävät sen, että hallitus tukee voimakkaasti hiilivetypolttoaineita sekä suoraan että epäsuorasti, esimerkiksi käyttämällä armeijaa keskeytymättömän energiansaannin varmistamiseksi. Irakin sota mainitaan usein kiistanalaisena esimerkkinä tämän tyyppistä tukea. Tällaisten välillisten tukien kirjanpito on erittäin monimutkaista ja tekee tarkan kustannusvertailun lähes mahdotonta.
Erillinen kysymys on tutkimuksen kustannukset. Euroopan yhteisön maat käyttävät tutkimukseen vuosittain noin 200 miljoonaa euroa, ja ennustetaan kestävän vielä useita vuosikymmeniä ennen kuin ydinfuusion teollinen käyttö on mahdollista. Vaihtoehtoisten sähkönlähteiden kannattajat uskovat, että nämä varat olisi tarkoituksenmukaisempaa käyttää uusiutuvien sähkönlähteiden käyttöön.
Kaupallisen fuusioenergian saatavuus
Valitettavasti laajalle levinneestä optimismista (1950-luvulta lähtien, jolloin ensimmäinen tutkimus alkoi) huomattavia esteitä ydinfuusioprosessien nykyisen ymmärryksen, teknisten valmiuksien ja ydinfuusion käytännön käytön välillä ei ole valitettavasti vielä voitettu, on myös epäselvää, missä määrin voi olla Taloudellisesti kannattavaa tuottaa sähköä lämpöydinfuusiolla. Vaikka tutkimuksen edistyminen on jatkuvaa, tutkijat kohtaavat aina silloin tällöin uusia haasteita. Haasteena on esimerkiksi kehittää materiaalia, joka kestää neutronipommituksen, jonka arvioidaan olevan 100 kertaa voimakkaampi kuin perinteiset ydinreaktorit.
Tutkimuksessa erotetaan seuraavat vaiheet:
1.Tasapaino tai "hyväksytty" tila(Break-even): kun synteesiprosessin aikana vapautuva kokonaisenergia on yhtä suuri kuin reaktion käynnistämiseen ja ylläpitämiseen käytetty kokonaisenergia. Tämä suhde on merkitty symbolilla Q. Reaktiotasapaino osoitettiin JET:ssä (Joint European Torus) Isossa-Britanniassa vuonna 1997. (Kuluttuaan 52 MW sähköä sen lämmittämiseen, tutkijat saivat tehon, joka oli 0,2 MW korkeampi kuin mitä kulutettiin.)
2.Hehkuvaa plasmaa(Burning Plasma): Välivaihe, jossa reaktiota tukevat ensisijaisesti alfa-hiukkaset, jotka syntyvät reaktion aikana, ulkoisen kuumennuksen sijaan. Q ≈ 5. Ei vieläkään saavutettu.
3. Sytytys(Sytytys): stabiili reaktio, joka ylläpitää itsensä. Pitäisi saavuttaa suurilla Q-arvoilla. Ei vieläkään saavutettu.
Tutkimuksen seuraava askel olisi ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), kansainvälinen lämpöydinkoereaktori. Tässä reaktorissa on tarkoitus tutkia korkean lämpötilan plasman (flaming plasma Q ~ 30) ja rakennemateriaalien käyttäytymistä teollisuusreaktoria varten. Tutkimuksen viimeinen vaihe on DEMO: teollisuusreaktorin prototyyppi, jossa saadaan aikaan sytytys ja uusien materiaalien soveltuvuus käytännössä. Optimistisin ennuste DEMO-vaiheen valmistumiselle: 30 vuotta. Kun otetaan huomioon teollisuusreaktorin arvioitu rakentamis- ja käyttöönottoaika, olemme noin 40 vuoden päässä lämpöydinenergian teollisesta käytöstä.
Olemassa olevat tokamakit
Yhteensä maailmassa rakennettiin noin 300 tokamakia. Suurimmat niistä on lueteltu alla.
- Neuvostoliitto ja Venäjä
- T-3 on ensimmäinen toimiva laite.
- T-4 - T-3:n suurennettu versio
- T-7 on ainutlaatuinen asennus, jossa ensimmäistä kertaa maailmassa toteutetaan suhteellisen suuri magneettijärjestelmä, jossa on nestemäisellä heliumilla jäähdytettyyn tinaniobaattiin perustuva suprajohtava solenoidi. T-7:n päätehtävä saatiin päätökseen: valmisteltiin näkymä seuraavan sukupolven suprajohtaville solenoideille lämpöydinvoimaan.
- T-10 ja PLT ovat seuraava askel maailman lämpöydintutkimuksessa, ne ovat lähes samankokoisia, yhtä tehokkaita ja samalla rajauskertoimella. Ja saadut tulokset ovat identtisiä: molemmat reaktorit saavuttivat halutun lämpöydinfuusion lämpötilan, ja Lawson-kriteerin mukainen viive on vain kaksisataa kertaa.
- T-15 on nykyaikainen reaktori, jonka suprajohtava solenoidi antaa 3,6 Teslan kentänvoimakkuuden.
- Libya
- TM-4A
- Eurooppa ja Iso-Britannia
- JET (englanniksi) (Joint Europeus Tor) on maailman suurin tokamak, jonka on luonut Euratom-järjestö Yhdistyneessä kuningaskunnassa. Se käyttää yhdistettyä lämmitystä: 20 MW - neutraali injektio, 32 MW - ionisyklotroniresonanssi. Seurauksena on, että Lawson-kriteeri on vain 4-5 kertaa alhaisempi kuin sytytystaso.
- Tore Supra (ranska) (englanniksi) - suprajohtavilla keloilla varustettu tokamak, yksi maailman suurimmista. Sijaitsee Cadarachen tutkimuskeskuksessa (Ranska).
- USA
- TFTR (englanniksi) (Test Fusion Tokamak Reactor) - USA:n suurin tokamak (Princetonin yliopistossa), jossa on lisälämmitys nopeilla neutraaleilla hiukkasilla. On saavutettu korkea tulos: Lawson-kriteeri todellisessa lämpöydinlämpötilassa on vain 5,5 kertaa syttymisrajaa alempi. Suljettu 1997
- NSTX (englanniksi) (National Spherical Torus Experiment) on pallomainen tokamak (spheromak), joka toimii tällä hetkellä Princetonin yliopistossa. Ensimmäinen plasma reaktorissa valmistettiin vuonna 1999, kaksi vuotta TFTR:n sulkemisen jälkeen.
Tiedät sen jo 1900-luvun puolivälissä. Ongelmana syntyi uusien energialähteiden löytäminen. Tässä suhteessa termoydinreaktiot herättivät tutkijoiden huomion.
- Termoydinreaktio on kevyiden ytimien (kuten vety, helium jne.) fuusioreaktio, joka tapahtuu kymmenien ja satojen miljoonien asteiden lämpötiloissa.
Korkean lämpötilan luominen on välttämätöntä, jotta ytimille saadaan riittävän suuri kineettinen energia - vain näissä olosuhteissa ytimet pystyvät voittamaan sähköisen hylkimisen voimat ja pääsemään tarpeeksi lähelle putoamaan ydinvoimien toiminta-alueelle. Tällaisilla pienillä etäisyyksillä ydinvoiman vetovoimat ylittävät merkittävästi sähköisen hylkimisen voimat, minkä vuoksi ytimien synteesi (eli fuusio, assosiaatio) on mahdollista.
Pykälässä 58 osoitettiin uraanin esimerkillä, että raskaiden ytimien fission aikana voi vapautua energiaa. Kevyiden ytimien tapauksessa energiaa voi vapautua käänteisessä prosessissa - niiden fuusion aikana. Lisäksi kevyiden ytimien fuusioreaktio on energeettisesti edullisempi kuin raskaiden ytimien fissioreaktio (jos verrataan vapautuvaa energiaa nukleonia kohti).
Esimerkki lämpöydinreaktiosta on vetyisotooppien (deuterium ja tritium) fuusio, joka johtaa heliumin muodostumiseen ja neutronin emission:
Tämä on ensimmäinen termoydinreaktio, jonka tutkijat ovat onnistuneet toteuttamaan. Se toteutettiin lämpöydinpommissa ja oli luonteeltaan hallitsematon (räjähtävä).
Kuten jo todettiin, lämpöydinreaktioita voi tapahtua, kun vapautuu suuria määriä energiaa. Mutta jotta tätä energiaa voitaisiin käyttää rauhanomaisiin tarkoituksiin, on tarpeen oppia suorittamaan kontrolloituja lämpöydinreaktioita. Yksi suurimmista ongelmista tällaisten reaktioiden suorittamisessa on korkean lämpötilan plasman (melkein täysin ionisoituneen kaasun) sisällyttäminen laitokseen, jossa ydinfuusio tapahtuu. Plasma ei saa joutua kosketuksiin sen asennuksen seinien kanssa, jossa se sijaitsee, muuten seinät muuttuvat höyryksi. Tällä hetkellä käytetään erittäin voimakkaita magneettikenttiä plasman rajoittamiseen suljetussa tilassa sopivalle etäisyydelle seinistä.
Termoydinreaktioilla on tärkeä rooli maailmankaikkeuden evoluutiossa, erityisesti siinä olevien kemiallisten aineiden muuttumisessa.
Auringon syvyyksissä tapahtuvien lämpöydinreaktioiden ansiosta vapautuu energiaa, joka antaa elämän maapallon asukkaille.
Aurinkomme on säteillyt valoa ja lämpöä avaruuteen lähes 4,6 miljardia vuotta. Tiedemiehet ovat luonnollisesti aina olleet kiinnostuneita kysymyksestä, mikä on "polttoaine", jonka ansiosta aurinko tuottaa valtavia määriä energiaa niin pitkän ajan.
Tästä asiasta oli erilaisia hypoteeseja. Yksi niistä oli se, että Auringossa vapautuu energiaa kemiallisen palamisreaktion seurauksena. Mutta tässä tapauksessa, kuten laskelmat osoittavat, aurinko voisi olla olemassa vain muutaman tuhannen vuoden, mikä on ristiriidassa todellisuuden kanssa.
Alkuperäinen hypoteesi esitettiin 1800-luvun puolivälissä. Se oli, että sisäisen energian kasvu ja vastaava auringon lämpötilan nousu johtuu sen potentiaalisen energian vähenemisestä gravitaatiopuristuksen aikana. Se osoittautui myös kestämättömäksi, koska tässä tapauksessa Auringon elinikä kasvaa miljooniin vuosiin, mutta ei miljardeihin.
Amerikkalainen fyysikko Hans Bethe teki vuonna 1939 oletuksen, että energian vapautuminen auringossa tapahtuu siinä tapahtuvien lämpöydinreaktioiden seurauksena.
He ehdottivat myös ns vetykierto eli kolmen lämpöydinreaktion ketju, joka johtaa heliumin muodostumiseen vedystä:
jossa on hiukkanen nimeltä "neutrino", joka tarkoittaa "pientä neutronia" italiaksi.
Kolmanteen reaktioon tarvittavien kahden ytimen tuottamiseksi kahden ensimmäisen on tapahduttava kahdesti.
Tiedät jo, että kaavan E = mс 2 mukaisesti kehon sisäisen energian pienentyessä myös sen massa pienenee.
Auringon valtavan energiamäärän kuvittelemiseksi vedyn muuntuessa heliumiksi riittää tietää, että Auringon massa pienenee useita miljoonia tonneja sekunnissa. Mutta menetyksistä huolimatta Auringon vetyvarantojen pitäisi kestää vielä 5-6 miljardia vuotta.
Samat reaktiot tapahtuvat muidenkin tähtien sisätiloissa, joiden massa ja ikä ovat verrattavissa Auringon massaan ja ikään.
Kysymyksiä
- Mitä reaktiota kutsutaan termoytimeksi? Anna esimerkki reaktiosta.
- Miksi lämpöydinreaktiot ovat mahdollisia vain erittäin korkeissa lämpötiloissa?
- Kumpi reaktio on energeettisesti suotuisampi (nukleonia kohti): kevyiden ytimien fuusio vai raskaiden ytimien fissio?
- Mikä on yksi suurimmista vaikeuksista lämpöydinreaktioiden toteuttamisessa?
- Mikä on lämpöydinreaktioiden rooli elämän olemassaolossa maapallolla?
- Mikä on aurinkoenergian lähde nykyaikaisten ideoiden mukaan?
- Kuinka kauan Auringon vedyn pitäisi kestää tutkijoiden laskelmien mukaan?
Tämä on mielenkiintoista...
Alkuainehiukkasia. Antihiukkaset
Hiukkasia, jotka muodostavat eri aineiden atomeja - elektroneja, protoneja ja neutroneja - kutsutaan alkuaineiksi. Sana "alkuaine" merkitsi, että nämä hiukkaset ovat ensisijaisia, yksinkertaisimpia, edelleen jakamattomia ja muuttumattomia. Mutta pian kävi ilmi, että nämä hiukkaset eivät ole lainkaan muuttumattomia. Heillä kaikilla on kyky muuttua toisikseen vuorovaikutuksessa.
Siksi modernissa fysiikassa termiä "alkuainehiukkaset" ei yleensä käytetä sen tarkassa merkityksessä, vaan nimeämään suuri joukko pienimpiä ainehiukkasia, jotka eivät ole atomeja tai atomiytimiä (poikkeus on protoni, joka on ydin vetyatomin ja samalla kuuluu alkuainehiukkasiin).
Tällä hetkellä tunnetaan yli 350 erilaista alkuainehiukkasta. Nämä hiukkaset ovat ominaisuuksiltaan hyvin erilaisia. Ne voivat erota toisistaan massa, sähkövarauksen etumerkki ja suuruus, käyttöikä (eli aika hiukkasen muodostumisesta hetkeen, jolloin se muuttuu joksikin muuksi hiukkaseksi), tunkeutumiskyky (eli kyky läpäistä) aineen kautta) ja muita ominaisuuksia. Esimerkiksi useimmat hiukkaset ovat "lyhytikäisiä" - ne elävät enintään kaksi miljoonasosaa sekunnista, kun taas neutronin keskimääräinen elinikä atomiytimen ulkopuolella on 15 minuuttia.
Alkuainehiukkastutkimuksen alan tärkein löytö tehtiin vuonna 1932, kun amerikkalainen fyysikko Carl David Anderson löysi jäljen tuntemattomasta hiukkasesta magneettikenttään sijoitetusta pilvikammiosta. Tämän jäljen luonteen (kaarevuussäde, taivutussuunta jne.) perusteella tutkijat päättelivät, että sen jätti hiukkanen, joka on kuin elektroni, jolla on positiivinen sähkövaraus. Tätä hiukkasta kutsuttiin positroniksi.
On mielenkiintoista, että vuosi ennen positronien kokeellista löytöä sen olemassaolon ennusti teoreettisesti englantilainen fyysikko Paul Dirac (tällaisen hiukkasen olemassaolo seurasi hänen johtamasta yhtälöstä). Lisäksi Dirac ennusti niin sanottuja tuhoutumisprosesseja (kadominen) ja elektroni-positroniparin syntyä. Hävitys tarkoittaa sitä, että elektroni ja positroni katoavat kohtaaessaan muuttuen γ-kvanteiksi (fotoneiksi). Ja kun γ-kvantti törmää minkä tahansa massiivisen ytimen kanssa, syntyy elektroni-positronipari.
Molempia prosesseja havaittiin ensimmäisen kerran kokeellisesti vuonna 1933. Kuvassa 166 on esitetty elektronin ja positronin jäljet, jotka muodostuivat γ-kvantin ja lyijyatomin törmäyksen seurauksena y-säteiden kulkiessa lyijylevyn läpi. Koe suoritettiin pilvikammiossa, joka oli sijoitettu magneettikenttään. Jälkien sama kaarevuus osoittaa samaa hiukkasten massaa, ja kaarevuus eri suuntiin osoittaa päinvastaisia merkkejä sähkövarauksesta.
Riisi. 166. Elektroni-positroniparin jäljet magneettikentässä
Vuonna 1955 löydettiin toinen antihiukkanen - antiprotoni (jonka olemassaolo seurasi myös Diracin teoriasta) ja vähän myöhemmin - antineutroni. Antineutronilla, kuten neutronilla, ei ole sähkövarausta, mutta se kuuluu epäilemättä antihiukkasiin, koska se osallistuu tuhoutumisprosessiin ja neutroni-antineutroni-parin syntymiseen.
Mahdollisuus saada antihiukkasia johti tutkijat ajatukseen antiaineen luomisesta. Antimateriaaliatomit tulisi rakentaa tällä tavalla: atomin keskellä on negatiivisesti varautunut ydin, joka koostuu antiprotoneista ja antineutroneista, ja positronit pyörivät ytimen ympärillä. Yleensä atomi on neutraali. Tämä ajatus sai myös loistavan kokeellisen vahvistuksen. Vuonna 1969 Serpukhovin protonikiihdyttimestä Neuvostoliiton fyysikot saivat antiheliumatomien ytimiä.
Tällä hetkellä lähes kaikkien tunnettujen alkuainehiukkasten antihiukkaset on löydetty kokeellisesti.
Luvun tiivistelmä. Tärkein
Alla on fysikaalisia käsitteitä ja ilmiöitä. Määritelmien ja muotoilujen esitysjärjestys ei vastaa käsitteiden järjestystä jne.
Siirrä käsitteiden nimet muistikirjaasi ja kirjoita tätä käsitettä vastaavan määritelmän (sanamuodon) sarjanumero hakasulkeisiin.
- Radioaktiivisuus;
- ydin (planetaarinen) malli atomin rakenteesta;
- atomiydin;
- atomiytimien radioaktiiviset muunnokset;
- kokeelliset menetelmät hiukkasten tutkimiseksi atomi- ja ydinfysiikassa;
- ydinvoimat;
- ydinvoima sitova energia;
- atomiytimen massavika;
- ketjureaktio ;
- ydinreaktori ;
- ydinvoimaloiden käytöstä aiheutuvat ympäristölliset ja sosiaaliset ongelmat;
- absorboitunut säteilyannos.
- Hiukkasten rekisteröinti Geiger-laskimella, hiukkasten jälkien (mukaan lukien ydinreaktioihin osallistuvien) tutkiminen ja valokuvaaminen pilvikammiossa ja kuplakammiossa.
- Atomien ytimien nukleonien välillä vaikuttavat vetovoimat, jotka ylittävät merkittävästi protonien väliset sähköstaattiset hylkimisvoimat.
- Vähimmäisenergia, joka tarvitaan ytimen jakamiseen yksittäisiksi nukleoneiksi.
- Tiettyjen alkuaineiden atomien spontaani radioaktiivisten säteiden emission.
- Laite, joka on suunniteltu suorittamaan kontrolloitu ydinreaktio.
- Koostuu nukleoneista (eli protoneista ja neutroneista).
- Radioaktiivinen jäte, onnettomuuksien mahdollisuus, ydinaseiden leviämisen edistäminen.
- Atomi koostuu sen keskellä sijaitsevasta positiivisesti varautuneesta ytimestä, jonka ympärillä elektronit kiertävät ytimen kokoa huomattavasti suuremmalla etäisyydellä.
- Kemiallisen alkuaineen muuttuminen toiseksi α- tai β-hajoamisen kautta, jonka seurauksena alkuperäisen atomin ydin muuttuu.
- Ero ytimen muodostavien nukleonien massojen summan ja tämän ytimen massojen välillä.
- Raskaiden ytimien itseään ylläpitävä fissioreaktio, jossa syntyy jatkuvasti neutroneja, jotka jakavat yhä uusia ydinytimiä.
- Emitoituneen aineen (erityisesti kehon kudosten) absorboima ionisoivan säteilyn energia, joka lasketaan massayksikköä kohti.
Tarkista itse
Ydinreaktori toimii sujuvasti ja tehokkaasti. Muuten, kuten tiedät, tulee ongelmia. Mutta mitä sisällä tapahtuu? Yritetään muotoilla ydin(ydin)reaktorin toimintaperiaate lyhyesti, selkeästi, pysähdyksin.
Pohjimmiltaan siellä tapahtuu sama prosessi kuin ydinräjähdyksen aikana. Vain räjähdys tapahtuu hyvin nopeasti, mutta reaktorissa tämä kaikki venyy pitkään. Tämän seurauksena kaikki pysyy turvallisena ja terveenä, ja saamme energiaa. Ei niinkään, että kaikki ympärillä tuhoutuisi kerralla, mutta aivan riittävästi sähkön toimittamiseen kaupunkiin.
Ennen kuin ymmärrät, kuinka kontrolloitu ydinreaktio tapahtuu, sinun on tiedettävä, mikä se on ydinreaktio ollenkaan.
Ydinreaktio on atomiytimien muunnosprosessi (fissio), kun ne ovat vuorovaikutuksessa alkuainehiukkasten ja gammasäteiden kanssa.
Ydinreaktioita voi tapahtua sekä energian imeytyessä että vapautuessa. Reaktori käyttää toisia reaktioita.
Ydinreaktori on laite, jonka tarkoituksena on ylläpitää hallittua ydinreaktiota vapauttamalla energiaa.
Usein ydinreaktoria kutsutaan myös atomireaktoriksi. Huomattakoon, että tässä ei ole perustavanlaatuista eroa, mutta tieteen kannalta on oikeampaa käyttää sanaa "ydin". Ydinreaktoreita on nykyään monenlaisia. Nämä ovat valtavia teollisuusreaktoreita, jotka on suunniteltu tuottamaan energiaa voimalaitoksissa, sukellusveneiden ydinreaktoreita, pieniä kokeellisia reaktoreita, joita käytetään tieteellisissä kokeissa. On jopa reaktoreita, joita käytetään suolan poistamiseen merivedestä.
Ydinreaktorin luomisen historia
Ensimmäinen ydinreaktori käynnistettiin ei niin kaukana vuonna 1942. Tämä tapahtui Yhdysvalloissa Fermin johdolla. Tämän reaktorin nimi oli Chicago Woodpile.
Vuonna 1946 Kurchatovin johdolla käynnistetty ensimmäinen Neuvostoliiton reaktori aloitti toimintansa. Tämän reaktorin runko oli halkaisijaltaan seitsemän metriä oleva pallo. Ensimmäisissä reaktoreissa ei ollut jäähdytysjärjestelmää, ja niiden teho oli minimaalinen. Muuten, Neuvostoliiton reaktorin keskimääräinen teho oli 20 wattia ja amerikkalaisen - vain 1 watti. Vertailun vuoksi: nykyaikaisten voimareaktorien keskimääräinen teho on 5 gigawattia. Alle kymmenen vuotta ensimmäisen reaktorin käynnistämisen jälkeen Obninskin kaupunkiin avattiin maailman ensimmäinen teollinen ydinvoimala.
Ydinreaktorin (ydin) toimintaperiaate
Jokaisessa ydinreaktorissa on useita osia: ydin Kanssa polttoainetta Ja moderaattori , neutroniheijastin , jäähdytysnestettä , ohjaus- ja suojajärjestelmä . Isotooppeja käytetään useimmiten polttoaineena reaktoreissa. uraani (235, 238, 233), plutonium (239) ja torium (232). Ydin on kattila, jonka läpi tavallinen vesi (jäähdytysneste) virtaa. Muiden jäähdytysnesteiden joukossa "raskasta vettä" ja nestemäistä grafiittia käytetään harvemmin. Jos puhumme ydinvoimaloiden toiminnasta, niin lämmön tuottamiseen käytetään ydinreaktoria. Itse sähköä tuotetaan samalla menetelmällä kuin muissakin voimalaitoksissa - höyry pyörittää turbiinia ja liikkeen energia muunnetaan sähköenergiaksi.
Alla on kaavio ydinreaktorin toiminnasta.
Kuten olemme jo sanoneet, raskaan uraaniytimen hajoaminen tuottaa kevyempiä alkuaineita ja useita neutroneja. Syntyvät neutronit törmäävät muihin ytimiin ja aiheuttavat myös niiden fissiota. Samaan aikaan neutronien määrä kasvaa kuin lumivyöry.
Se pitäisi mainita tässä neutronien kerroin . Joten jos tämä kerroin ylittää arvon, joka on yhtä suuri, tapahtuu ydinräjähdys. Jos arvo on pienempi kuin yksi, neutroneja on liian vähän ja reaktio sammuu. Mutta jos pidät kertoimen arvon yhtä suurena, reaktio etenee pitkään ja vakaasti.
Kysymys kuuluu, kuinka tämä tehdään? Reaktorissa polttoaine on ns polttoaine-elementit (TVELakh). Nämä ovat sauvoja, jotka sisältävät pienten tablettien muodossa ydinpolttoaine . Polttoainesauvat yhdistetään kuusikulmaisiksi kasetteiksi, joita reaktorissa voi olla satoja. Polttoainesauvoilla varustetut kasetit on sijoitettu pystysuoraan, ja jokaisessa polttoainesauvassa on järjestelmä, jonka avulla voit säätää sen upottamisen syvyyttä ytimeen. Itse kasettien lisäksi ne sisältävät ohjaussauvat Ja hätäsuojatangot . Tangot on valmistettu materiaalista, joka imee hyvin neutroneja. Siten säätösauvoja voidaan laskea eri syvyyksiin ytimessä, jolloin neutronien kerroin säädetään. Hätäsauvat on suunniteltu sammuttamaan reaktori hätätilanteessa.
Miten ydinreaktori käynnistetään?
Olemme selvittäneet itse toimintaperiaatteen, mutta kuinka käynnistää ja saada reaktori toimimaan? Karkeasti sanottuna tässä se on - pala uraania, mutta ketjureaktio ei ala siinä itsestään. Tosiasia on, että ydinfysiikassa on käsite kriittinen massa .
Kriittinen massa on halkeamiskelpoisen materiaalin massa, joka tarvitaan ydinketjureaktion käynnistämiseen.
Polttoainesauvojen ja säätösauvojen avulla reaktoriin luodaan ensin kriittinen massa ydinpolttoainetta, jonka jälkeen reaktori saatetaan optimaaliselle tehotasolle useassa vaiheessa.
Tässä artikkelissa yritimme antaa sinulle yleiskuvan ydin (ydin)reaktorin rakenteesta ja toimintaperiaatteesta. Jos sinulla on kysyttävää aiheesta tai sinulta on kysytty ydinfysiikan ongelmaa yliopistossa, ota yhteyttä yrityksemme asiantuntijoille. Kuten tavallista, olemme valmiita auttamaan sinua ratkaisemaan kaikki opintojasi koskevat kiireelliset ongelmat. Ja samalla kun olemme siinä, tässä on toinen opetusvideo huomiosi!
Ja kyvystä käyttää ydinenergiaa sekä luoviin (ydinenergia) että tuhoaviin (atomipommi) tarkoituksiin tuli kenties yksi viime vuosisadan merkittävimmistä keksinnöistä. Kaiken pienen atomin syvyyksissä piilevän valtavan voiman ytimessä ovat ydinreaktiot.
Mitä ovat ydinreaktiot
Ydinreaktioilla tarkoitetaan fysiikassa atomin ytimen vuorovaikutusta toisen samanlaisen ytimen tai eri alkuainehiukkasten kanssa, mikä johtaa ytimen koostumuksen ja rakenteen muutoksiin.
Pieni historia ydinreaktioista
Suuri tiedemies Rutherford teki historian ensimmäisen ydinreaktion vuonna 1919 kokeiden aikana protonien havaitsemiseksi ydinhajoamistuotteista. Tiedemies pommitti typpiatomeja alfahiukkasilla, ja kun hiukkaset törmäsivät, tapahtui ydinreaktio.
Ja tältä tämän ydinreaktion yhtälö näytti. Ydinreaktioiden löytämisestä annettiin Rutherford.
Tätä seurasi lukuisia tutkijoiden kokeita erityyppisten ydinreaktioiden suorittamisessa, esimerkiksi tieteen kannalta erittäin mielenkiintoinen ja merkittävä oli ydinreaktio, joka aiheutui atomiytimien pommituksesta neutroneilla, jonka suoritti erinomainen italialainen fyysikko. E. Fermi. Erityisesti Fermi havaitsi, että ydinmuunnoksia voivat aiheuttaa nopeiden neutronien lisäksi myös hitaat, jotka liikkuvat lämpönopeuksilla. Muuten, lämpötilalle altistumisesta aiheutuvia ydinreaktioita kutsutaan lämpöydinreaktioksi. Mitä tulee neutronien vaikutuksen alaisena oleviin ydinreaktioihin, ne kehittyivät hyvin nopeasti tieteessä, ja millaisia reaktioita, lue siitä lisää.
Tyypillinen kaava ydinreaktiolle.
Mitä ydinreaktioita fysiikassa on?
Yleensä nykyään tunnetut ydinreaktiot voidaan jakaa:
- atomiytimien fissio
- lämpöydinreaktiot
Alla kirjoitamme yksityiskohtaisesti jokaisesta niistä.
Ydinfissio
Atomiytimien fissioreaktio sisältää atomin varsinaisen ytimen hajoamisen kahteen osaan. Vuonna 1939 saksalaiset tiedemiehet O. Hahn ja F. Strassmann löysivät atomiytimien fission, jatkaen tieteellisten edeltäjiensä tutkimusta, he totesivat, että kun uraania pommitetaan neutroneilla, syntyy jaksollisen järjestelmän keskiosan elementtejä, nimittäin radioaktiivisia. bariumin, kryptonin ja joidenkin muiden alkuaineiden isotoopit. Valitettavasti tätä tietoa käytettiin alun perin hirvittäviin, tuhoaviin tarkoituksiin, koska toinen maailmansota alkoi ja saksalaiset ja toisaalta amerikkalaiset ja neuvostoliittolaiset tiedemiehet kilpailivat kehittääkseen ydinaseita (jotka perustuivat uraanin ydinreaktioon), mikä päättyi surullisen "ydinsieniin" Japanin Hiroshiman ja Nagasakin kaupunkien yllä.
Mutta takaisin fysiikkaan, uraanin ydinreaktiolla sen ytimen halkeamisen aikana on yksinkertaisesti valtavaa energiaa, jonka tiede on pystynyt käyttämään palvelukseensa. Miten tällainen ydinreaktio tapahtuu? Kuten yllä kirjoitimme, se tapahtuu uraaniatomin ytimen pommituksen seurauksena neutroneilla, mikä aiheuttaa ytimen halkeamisen, mikä luo valtavan kineettisen energian, joka on luokkaa 200 MeV. Mutta mielenkiintoisinta on, että uraanin ytimen ydinfissioreaktion tuloksena törmäyksestä neutronin kanssa ilmaantuu useita vapaita uusia neutroneja, jotka puolestaan törmäävät uusiin ytimiin, halkaisevat niitä ja niin edelleen. Seurauksena on, että neutroneja on entistä enemmän ja vielä enemmän uraaniytimiä hajoaa törmäyksistä niiden kanssa - tapahtuu todellinen ydinketjureaktio.
Tältä se näyttää kaaviossa.
Tässä tapauksessa neutronien kertoimen on oltava suurempi kuin yksikkö, tämä on välttämätön ehto tämän tyyppiselle ydinreaktiolle. Toisin sanoen jokaisessa seuraavassa ytimien hajoamisen jälkeen muodostuneiden neutronien sukupolvessa niitä pitäisi olla enemmän kuin edellisessä.
On syytä huomata, että samanlaisen periaatteen mukaan ydinreaktiot pommituksen aikana voivat tapahtua myös joidenkin muiden alkuaineiden atomien ytimien fission aikana, sillä vivahteilla, että ytimiä voidaan pommittaa erilaisilla alkuainehiukkasilla, ja tällaisten ydinreaktioiden tuotteet vaihtelevat, joten voimme kuvata niitä yksityiskohtaisemmin, tarvitsemme koko tieteellisen monografian
Termoydinreaktiot
Termoydinreaktiot perustuvat fuusioreaktioihin, eli itse asiassa tapahtuu fissiolle päinvastainen prosessi, atomien ytimet eivät hajoa osiin, vaan sulautuvat toisiinsa. Tämä vapauttaa myös suuren määrän energiaa.
Termoydinreaktiot, kuten nimestä voi päätellä (termo - lämpötila), voivat tapahtua yksinomaan erittäin korkeissa lämpötiloissa. Loppujen lopuksi, jotta kaksi atomiydintä sulautuisivat, niiden on lähestyttävä hyvin läheistä etäisyyttä toistensa kanssa, samalla kun se voitetaan positiivisten varaustensa sähköisellä torjunnalla, kun on olemassa korkea kineettinen energia, mikä puolestaan on mahdollista korkeissa lämpötiloissa. On huomattava, että lämpöydinreaktioita ei tapahdu, ei vain siinä, vaan myös muissa tähdissä, voidaan jopa sanoa, että se on niiden luonteen perusta.
Ydinreaktiot, video
Ja lopuksi opetusvideo artikkelimme aiheesta, ydinreaktioista.
