Какую роль вакуумные технологии играют в ядерном синтезе?

В последние годы термоядерный синтез стал одним из приоритетных направлений науки в мире, и в средствах массовой информации различных стран появляется все больше сообщений и дискуссий о ядерном синтезе. Но многие до сих пор с ним незнакомы, приравнивая его к атомным электростанциям и атомным бомбам.

что такое ядерное деление?

Ядерное деление является источником энергии для атомных электростанций и взрыва атомных бомб. Это относится к форме ядерной реакции, в которой тяжелое атомное ядро (в основном уран или плутоний) расщепляется на два или более атомов меньшей массы.

Деление инициируется бомбардировкой изотопа урана U-235 нейтронами. Когда эти нейтроны сталкиваются с атомами урана-235, они высвобождают от 2 до 4 нейтронов, которые затем сталкиваются с большим количеством урана-235, образуя цепную реакцию. Этот процесс высвобождает много полезной энергии, а также может генерировать электромагнитное излучение.

Реакторы деления функционируют так же, как обычные электростанции. Деление происходит в корпусе реактора и контролируется регулирующими стержнями. Тепло от реакции используется для нагрева воды и производства пара. Затем этот пар вращает турбину для выработки электроэнергии. Поскольку использованные ядерные отходы являются радиоактивными и имеют период полураспада более 10 000 лет, с ядерными отходами необходимо обращаться безопасно. Это не только увеличивает стоимость на более позднем этапе, но также имеет определенные опасности.

Чтобы сделать топливо для ядерного деления, его сначала необходимо обогатить: увеличить концентрацию урана-235 с 0,7%, встречающихся в природе в урановой руде, до 4-5%, необходимых для процесса деления. Это требует использования центрифуг для преобразования урановой руды в газообразный UF6, который затем обогащается в топливные таблетки. Конечно, весь процесс центрифугирования должен выполняться в определенной вакуумной среде.

Сегодня в 33 странах мира работает около 440 ядерных реакторов. Эти реакторы производят около 10 процентов электроэнергии в мире. Кроме того, строятся около 55 ядерных энергетических реакторов. Урановая руда поступает из 10 стран, и ее энергоемкость в 70 000 раз выше, чем у ископаемого топлива.

Что такое ядерный синтез?

Ядерный синтез — это развивающаяся технология, ее появление полностью изменит статус-кво производства энергии и относится к передовой области современных научных исследований.

В процессе ядерного синтеза два легких атома высвобождают электроны вне ядра из оков ядра под чрезвычайно высокой температурой и давлением, так что два ядра притягиваются и сталкиваются друг с другом, а ядра полимеризуются друг с другом, генерируя новая более тяжелая масса. Атомные ядра (например, гелия). Поскольку нейтроны не заряжены, они покидают ядра атомов в процессе столкновения, и высвобождение большого количества электронов и нейтронов производит огромное количество энергии. Это источник энергии для ядерного синтеза.

В настоящее время люди изучают относительно низкотехнологичный ядерный синтез первого поколения. В качестве сырья используются два изотопа водорода, дейтерий и тритий. В идеальной реакции синтеза первого поколения используется смесь дейтерия и трития 50:50 (реакция 3 ниже). Однако тритий очень редко встречается в природе, потому что тритий является радиоактивным элементом, и период его полураспада очень короткий всего 12,43 года, поэтому он не может долго сохраняться в природе, а в природе нет условий для синтеза трития. , так что тритий должен быть искусственного производства. Искусственное производство трития очень дорого. В настоящее время в устройствах ядерного синтеза используется только дейтерий (реакции 1 и 2), потому что дейтерий на Земле очень богат, а каждый литр морской воды содержит 0,03 грамма дейтерия, поэтому стоимость реакций синтеза может быть значительно снижена.

На самом деле люди достигли дейтериево-тритиевого ядерного синтеза — взрыва водородной бомбы, но это неконтролируемое мгновенное высвобождение энергии, а людям нужно еще больше контролировать ядерный синтез. Текущие исследования по управляемому ядерному синтезу посвящены мирному использованию энергии синтеза.

Существует два основных типа исследований энергии управляемого термоядерного синтеза: термоядерный синтез с магнитным удержанием и термоядерный синтез с инерционным удержанием. Термоядерный синтез с магнитным удержанием (MCF) состоит из тороидальной вакуумной камеры и тороидальной катушки, которая при подаче питания генерирует огромное спиральное магнитное поле. Он использует сильное магнитное поле, чтобы хорошо удерживать заряженные частицы, удерживая газообразный дейтерий-тритий в вакуумном магнитном контейнере и нагревая до сотен миллионов градусов по Цельсию для достижения цели ядерного синтеза.

Токамак представляет собой экспериментальное устройство для ядерного синтеза с тороидальным магнитным удержанием, изобретенное бывшими советскими учеными в 1950-х годах. После почти полувека усилий была подтверждена научная возможность получения термоядерной энергии на токамаке, но все соответствующие результаты получены в виде коротких импульсов, которые далеки от непрерывной работы реальных реакторов. Две основные трудности в реализации производства электроэнергии на ядерном синтезе заключаются в том, как достичь сотен миллионов градусов воспламенения и стабильного долгосрочного контроля ограничений.

В термоядерном синтезе с инерционным удержанием (ICF) используются лазеры сверхвысокой интенсивности для облучения дейтериево-тритиевой мишени за очень короткий период времени для достижения термоядерного синтеза. Смесь из нескольких миллиграммов газообразного или твердого дейтерия и трития загружается в дейтериево-тритиевую мишень. Лазерный луч или пучок частиц равномерно инжектируется извне, а сферическая поверхность испаряется наружу за счет поглощения энергии. Под действием его внутренний слой сферической поверхности выдавливается внутрь, а дейтерий и тритий в дейтериево-тритиевой мишени выдавливаются и давление повышается. сопровождается резким повышением температуры. Когда температура достигает требуемой температуры воспламенения, дейтерий и тритий взрываются в вакуумной реакционной камере, тепло образующегося пара преобразуется в тепловую энергию, а образующийся тритий может быть переработан в качестве нового топлива. Этот процесс взрыва очень короткий, всего несколько триллионных долей секунды. Если этот взрыв будет продолжаться непрерывно, количество выделяемой энергии будет безграничным.

Как правило, вакуум используется во всем цикле магнитного удержания, включая:

1. Эвакуация самого реакционного сосуда в UHV — необходим для удаления более крупных частиц газа и предотвращения загрязнения плазмы.
   
2. Криогеника (криостат) — сама система охлаждения требует вакуума.
   
3. Производство трития — тритий чаще всего производится путем столкновения нейтронов с литием, что требует вакуума и откачки охлаждающего газа. Нейтроны также производятся в результате реакций деления или линейных ускорителей, для работы которых требуется вакуум.
   
4. Плазменный нагрев — вакуум необходим в системе инжекции нейтрального пучка для нагрева плазмы
   
5. Вакуумные испытания — оборудование тестируется под вакуумом и с использованием таких инструментов, как установки для дегазации и детекторы утечек.
   
6. Манометры и контрольно-измерительные приборы — для мониторинга оборудования и технологических процессов
   
7. Охлаждение — накачка необходима для гелия, используемого для охлаждения сверхпроводников
   
8. Рециркуляция — неиспользованное топливо и гелий откачиваются из камеры, отделяются и рециркулируются
   
9. Термоядерное топливо — Для подачи термоядерного топлива в камеру необходимы мощные насосы.
   

Для инерционного удержания вакуум требуется следующим образом:

1. Эвакуация целевой камеры в UHV — необходимо для удаления более крупных частиц газа и предотвращения загрязнения плазмой
   
2. Системы целеуказания — системы, используемые для наведения лазеров на топливо, требуют вакуума
   
3. Лучевой вакуум — для лазеров используется несколько каналов луча, и все они должны находиться в вакууме.
   
4. Пространственный фильтр — пространственные фильтры используются для «очистки» лазерного луча и работают в вакууме
   
5. Манометры и контрольно-измерительные приборы — для мониторинга оборудования и технологических процессов
   

from https://www.vacuumscienceworld.com/blog/what-is-nuclear-fusion