Nuclear fusion. Lahat ng kailangan mong malaman tungkol sa thermonuclear fusion Ano ang pagkakaiba sa pagitan ng isang kontroladong reaksyong nuklear at isang hindi kontroladong reaksyon?

21.11.2023 |

Sa apat na pangunahing pinagmumulan ng enerhiyang nuklear, dalawa na lamang ang dinala sa pagpapatupad ng industriya: ang enerhiya ng radioactive decay ay ginagamit sa mga pinagmumulan ng kuryente, at ang fission chain reaction ay ginagamit sa mga nuclear reactor. Ang ikatlong pinagmumulan ng enerhiyang nuklear - ang pagpuksa ng mga elementarya na particle - ay hindi pa umalis sa larangan ng science fiction. Ang pang-apat na pinagmulan ay kinokontrol na thermonuclear fusion, kinokontrol na thermonuclear fusion, nasa agenda. Bagama't hindi gaanong potensyal ang mapagkukunang ito kaysa sa ikatlo, ito ay higit na lumampas sa pangalawa.

Ang Thermonuclear fusion sa mga kondisyon ng laboratoryo ay medyo simple upang isakatuparan, ngunit ang pagpaparami ng enerhiya ay hindi pa nakakamit. Gayunpaman, ang trabaho sa direksyon na ito ay isinasagawa, at ang mga radiochemical technique ay binuo, una sa lahat, mga teknolohiya para sa paggawa ng tritium fuel para sa mga pag-install ng CTS.

Sinusuri ng kabanatang ito ang ilang radiochemical na aspeto ng thermonuclear fusion at tinatalakay ang mga prospect para sa paggamit ng mga installation para sa controlled fusion sa nuclear power.

Kinokontrol na thermonuclear fusion- ang reaksyon ng pagsasanib ng magaan na atomic nuclei sa mas mabibigat na nuclei, na nagaganap sa napakataas na temperatura at sinamahan ng pagpapalabas ng malaking halaga ng enerhiya. Hindi tulad ng explosive thermonuclear fusion (ginamit sa isang hydrogen bomb), ito ay kinokontrol. Sa pangunahing mga reaksyong nuklear na binalak na gamitin upang ipatupad ang kinokontrol na thermonuclear fusion, -H at 3 H ang gagamitin, at sa mas mahabang termino, 3 He at "B."

Ang mga pag-asa para sa kinokontrol na thermonuclear fusion ay nauugnay sa dalawang pangyayari: i) pinaniniwalaan na ang mga bituin ay umiiral dahil sa isang nakatigil na thermonuclear na reaksyon, at 2) ang hindi nakokontrol na proseso ng thermonuclear ay medyo simple na natanto sa pagsabog ng isang hydrogen bomb. Lumilitaw na walang pangunahing balakid sa pagpapanatili ng isang kontroladong reaksyon ng pagsasanib ng nuklear. Gayunpaman, ang masinsinang pagtatangka na ipatupad ang CTS sa mga kondisyon ng laboratoryo sa pagkuha ng mga nadagdag sa enerhiya ay natapos sa kumpletong kabiguan.

Gayunpaman, ang CVT ay nakikita na ngayon bilang isang mahalagang teknolohikal na solusyon na naglalayong palitan ang mga fossil fuel sa paggawa ng enerhiya. Ang pandaigdigang pangangailangan para sa enerhiya, na nangangailangan ng pagtaas sa produksyon ng kuryente at ang pagkaubos ng hindi nababagong hilaw na materyales, ay nagpapasigla sa paghahanap ng mga bagong solusyon.

Ginagamit ng mga thermonuclear reactor ang enerhiya na inilabas ng pagsasanib ng light atomic nuclei. Napoimeo:

Ang fusion reaction ng tritium at deuterium nuclei ay nangangako para sa kinokontrol na thermonuclear fusion, dahil ang cross section nito ay medyo malaki kahit na sa mababang enerhiya. Ang reaksyong ito ay nagbibigay ng isang tiyak na calorific value na 3.5-11 J/g. Ang pangunahing reaksyon D+T=n+a ang may pinakamalaking cross section o t ah=5 kamalig sa resonance at deuteron energy E pSh x= 0.108 MeV, kumpara sa mga reaksyon D+D=n+3He a,„ a *=0.i05 barn; E max = 1.9 MeV, D+D=p+T tungkol sa tah = 0.09 kamalig; E max = 2.0 MeV, pati na rin sa reaksyong 3He+D=p+a a m ax=0.7 barn; Eotah= 0.4 MeV. Ang huling reaksyon ay naglalabas ng 18.4 MeV. Sa reaksyon (3) ang kabuuan ng mga energies p+a katumbas ng 17.6 MeV, ang enerhiya ng mga nagresultang neutron?„=14.1 MeV; at ang enerhiya ng mga nagresultang alpha particle ay 3.5 MeV. Kung sa mga reaksyong T(d,n)a at:) He(d,p)a ay medyo makitid ang mga resonance, kung gayon sa mga reaksyong D(d,n)3He at D(d,p)T ay napakalawak. mga resonance na may malalaking halaga ng mga cross section sa rehiyon mula 1 hanggang 10 MeV at isang linear na pagtaas mula 0.1 MeV hanggang 1 MeV.

Magkomento. Ang mga problema sa madaling mag-apoy ng DT na gasolina ay ang tritium ay hindi natural na nangyayari at dapat na gawa mula sa lithium sa fusion reactor's breeder blanket; ang tritium ay radioactive (Ti/2 =12.6 taon), ang DT reactor system ay naglalaman ng mula 10 hanggang 10 kg ng tritium; Ang 80% ng enerhiya sa reaksyon ng DT ay inilabas na may 14 na MeV neutron, na nagbubunsod ng artipisyal na radyaktibidad sa mga istruktura ng reaktor at nagdudulot ng pinsala sa radiation.

Sa Fig. Ipinapakita ng Figure 1 ang mga dependency ng enerhiya ng mga cross section ng reaksyon (1 - h). Ang mga graph para sa mga cross section ng mga reaksyon (1) at (2) ay halos magkapareho - habang tumataas ang enerhiya, tumataas ang cross section at sa mataas na enerhiya ang posibilidad ng reaksyon ay may pare-parehong halaga. Ang cross section ng reaksyon (3) ay unang tumataas, umabot sa maximum na 10 barn sa energies na 90 MeV, at pagkatapos ay bumababa sa pagtaas ng enerhiya.

kanin. 1. Mga cross section ng ilang thermonuclear reactions bilang function ng particle energy sa gitna ng mass system: 1 - nuclear reaction (3); 2 - reaksyon (1) at (2).

Dahil sa malaking scattering cross section kapag binobomba ang tritium nuclei na may pinabilis na mga deuteron, ang balanse ng enerhiya ng proseso ng thermonuclear fusion sa reaksyon ng D - T ay maaaring negatibo, dahil Mas maraming enerhiya ang ginugugol sa pagpapabilis ng mga deuteron kaysa sa inilabas sa panahon ng pagsasanib. Posible ang isang positibong balanse ng enerhiya kung ang mga partikulo ng bombarding, pagkatapos ng isang nababanat na banggaan, ay makakalahok muli sa reaksyon. Upang malampasan ang electrical repulsion, ang nuclei ay dapat na may mataas na kinetic energy. Ang mga kundisyong ito ay maaaring malikha sa mataas na temperatura na plasma, kung saan ang mga atomo o molekula ay nasa ganap na naka-ionize na estado. Halimbawa, ang reaksyon ng D-T ay nagsisimulang mangyari lamang sa mga temperaturang higit sa 100 8 K. Tanging sa gayong mga temperatura ay mas maraming enerhiyang inilalabas sa bawat dami ng yunit at bawat yunit ng oras kaysa sa ginagastos. Dahil ang isang reaksyon ng pagsasanib ng D-T ay nagkakaroon ng ~105 ordinaryong banggaan ng nuklear, ang Ang problemang CTS ay binubuo ng paglutas ng dalawang problema: pag-init ng isang sangkap sa mga kinakailangang temperatura at paghawak nito sa loob ng sapat na panahon upang "masunog" ang isang kapansin-pansing bahagi ng thermonuclear fuel.

Ito ay pinaniniwalaan na ang kinokontrol na thermonuclear fusion ay maaaring maisakatuparan kung ang Lawson criterion ay matutupad (m>10'4 s cm-3, kung saan P - density ng mataas na temperatura ng plasma, t - oras ng pagpapanatili nito sa system).

Kapag natugunan ang pamantayang ito, ang enerhiya na inilabas sa panahon ng CTS ay lumampas sa enerhiya na ipinasok sa system.

Ang plasma ay dapat na panatilihin sa loob ng isang ibinigay na dami, dahil sa libreng espasyo ang plasma ay agad na lumalawak. Dahil sa mataas na temperatura, ang plasma ay hindi maaaring ilagay sa isang reservoir mula sa alinman


materyal. Upang maglaman ng plasma, kinakailangan na gumamit ng isang high-intensity magnetic field, na nilikha gamit ang superconducting magnets.

kanin. 2. Schematic diagram ng isang tokamak.

Kung hindi mo itinakda ang layunin ng pagkuha ng pakinabang ng enerhiya, kung gayon sa mga kondisyon ng laboratoryo ay medyo simple na ipatupad ang CTS. Upang gawin ito, sapat na upang ibaba ang isang ampoule ng lithium deuteride sa channel ng anumang mabagal na reaktor na tumatakbo sa reaksyon ng fission ng uranium (maaari kang gumamit ng lithium na may natural na isotopic na komposisyon (7% 6 Li), ngunit mas mabuti kung ito ay pinayaman ng matatag na isotope 6 Li). Sa ilalim ng impluwensya ng mga thermal neutron, ang mga sumusunod na reaksyong nuklear ay nangyayari:

Bilang resulta ng reaksyong ito, lumilitaw ang "mainit" na mga atomo ng tritium. Ang enerhiya ng tritium recoil atom (~3 MeV) ay sapat para mangyari ang interaksyon ng tritium sa deuterium na nasa LiD:

Ang pamamaraang ito ay hindi angkop para sa mga layunin ng enerhiya: ang mga gastos sa enerhiya para sa proseso ay lumampas sa inilabas na enerhiya. Samakatuwid, kailangan nating maghanap ng iba pang mga opsyon para sa pagpapatupad ng CTS, mga opsyon na nagbibigay ng malaking pakinabang sa enerhiya.

Sinusubukan nilang ipatupad ang CTS na may energy gain alinman sa quasi-stationary (t>1 s, tg> tingnan mo ang "Oh, o sa mga pulsed system (t*io -8 s, n>u 22 cm*w). Sa una (tokamak, stellarator, mirror trap, atbp.), Ang plasma confinement at thermal insulation ay isinasagawa sa magnetic field ng iba't ibang mga configuration. Sa mga pulsed system, ang plasma ay nilikha sa pamamagitan ng pag-irradiate ng solid target (mga butil ng pinaghalong deuterium at tritium) na may nakatutok na radiation mula sa isang malakas na laser o electron beam: kapag ang sinag ng maliliit na solid na target ay tumama sa focus, sunud-sunod na serye ng thermonuclear microexplosions. nangyayari.

Sa iba't ibang mga silid para sa pagkulong sa plasma, ang isang silid na may pagsasaayos ng toroidal ay nangangako. Sa kasong ito, ang plasma ay nilikha sa loob ng isang toroidal chamber gamit ang isang electrodeless ring discharge. Sa isang tokamak, ang kasalukuyang sapilitan sa plasma ay parang pangalawang paikot-ikot ng isang transpormer. Ang magnetic field, na may hawak na plasma, ay nilikha kapwa dahil sa kasalukuyang dumadaloy sa paikot-ikot sa paligid ng silid, at dahil sa kasalukuyang sapilitan sa plasma. Upang makakuha ng isang matatag na plasma, ginagamit ang isang panlabas na longitudinal magnetic field.

Ang thermonuclear reactor ay isang aparato para sa paggawa ng enerhiya sa pamamagitan ng fusion reactions ng light atomic nuclei na nagaganap sa plasma sa napakataas na temperatura (> 10 8 K). Ang pangunahing kinakailangan na dapat matugunan ng isang fusion reactor ay ang enerhiya na inilabas bilang isang resulta

thermonuclear reactions higit pa sa nabayaran para sa mga gastos sa enerhiya mula sa mga panlabas na pinagkukunan upang mapanatili ang reaksyon.

kanin. h. Mga pangunahing bahagi ng isang reaktor para sa kinokontrol na thermonuclear fusion.

Ang thermonuclear reactor na may uri ng TO-CAMAK (Toroidal Chamber with Magnetic Coils) ay binubuo ng isang vacuum chamber na bumubuo ng channel kung saan umiikot ang plasma, mga magnet na lumilikha ng field, at mga plasma heating system. Nakalakip dito ang mga vacuum pump na patuloy na nagbobomba ng mga gas palabas ng channel, isang fuel delivery system habang ito ay nasusunog, at isang diverter - isang sistema kung saan ang enerhiya na nakuha bilang resulta ng isang thermonuclear reaction ay inaalis mula sa reactor. Ang Toroidal plasma ay nasa isang vacuum shell. a-Ang mga particle na nabuo sa plasma bilang resulta ng thermonuclear fusion at matatagpuan dito ay nagpapataas ng temperatura nito. Ang mga neutron ay tumagos sa dingding ng silid ng vacuum sa zone ng kumot na naglalaman ng likidong lithium o isang lithium compound na pinayaman sa 6 Li. Kapag nakikipag-ugnayan sa lithium, ang kinetic energy ng mga neutron ay na-convert sa init, at ang tritium ay sabay na nabuo. Ang kumot ay inilalagay sa isang espesyal na shell, na nagpoprotekta sa magnet mula sa pagtakas ng mga neutron, y-radiation at mga daloy ng init.

Sa tokamak-type installations, ang plasma ay nilikha sa loob ng toroidal chamber gamit ang electrodeless ring discharge. Para sa layuning ito, ang isang electric current ay nilikha sa plasma clot, at sa parehong oras ito ay bubuo ng sarili nitong magnetic field - ang plasma clot mismo ay nagiging magnet. Ngayon, gamit ang isang panlabas na magnetic field ng isang tiyak na pagsasaayos, posible na suspindihin ang plasma cloud sa gitna ng silid, nang hindi pinapayagan itong makipag-ugnay sa mga dingding.

Diverter - isang hanay ng mga aparato (espesyal na poloidal magnetic coils; mga panel na nakikipag-ugnay sa plasma - plasma neutralizers), sa tulong ng kung saan ang lugar ng direktang pakikipag-ugnay sa dingding na may plasma ay pinakamataas na tinanggal mula sa pangunahing mainit na plasma. Ginagamit ito upang alisin ang init mula sa plasma sa anyo ng isang stream ng mga sisingilin na particle at upang i-pump out ang mga produkto ng reaksyon na neutralisado sa mga plato ng divertor: helium at protium. Nililinis ang plasma ng mga kontaminant na nakakasagabal sa reaksyon ng synthesis.

Ang isang thermonuclear reactor ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang power amplification factor na katumbas ng ratio ng thermal power ng reactor sa power cost ng produksyon nito. Ang thermal power ng reactor ay idinagdag:

  • - mula sa kapangyarihan na inilabas sa panahon ng isang thermonuclear reaksyon sa plasma;
  • - mula sa kapangyarihan na ipinapasok sa plasma upang mapanatili ang temperatura ng pagkasunog ng thermonuclear reaksyon o ang nakatigil na kasalukuyang sa plasma;
  • - mula sa kapangyarihang inilabas sa kumot - isang shell na nakapalibot sa plasma kung saan ginagamit ang enerhiya ng mga thermonuclear neutron at nagsisilbing protektahan ang magnetic coils mula sa radiation exposure. Kumot ng fusion reactor - isa sa mga pangunahing bahagi ng isang thermonuclear reactor, isang espesyal na shell na nakapalibot sa plasma kung saan nagaganap ang mga thermonuclear reaction at nagsisilbing gamitin ang enerhiya ng mga thermonuclear neutron.

Sinasaklaw ng kumot ang singsing ng plasma sa lahat ng panig, at ang mga pangunahing tagadala ng enerhiya na nabuo sa panahon ng pagsasanib ng D-T - 14-MeV neutrons - bitawan ito sa kumot, pinainit ito. Ang kumot ay naglalaman ng mga heat exchanger kung saan ang tubig ay dinadaanan. Kapag ang tokamak ay gumagana, naglalaman ito Sa isang planta ng kuryente, ang singaw ay umiikot sa isang steam turbine, at ito ay umiikot sa isang generator rotor.

Ang pangunahing gawain ng kumot ay upang mangolekta ng enerhiya, ibahin ang anyo nito sa init at ilipat ito sa mga electric generating system, pati na rin protektahan ang mga operator at ang kapaligiran mula sa ionizing radiation na nilikha ng isang thermonuclear reactor. Sa likod ng kumot sa isang thermonuclear reactor mayroong isang layer ng proteksyon sa radiation, ang mga function nito ay upang higit pang pahinain ang daloy ng mga neutron at y-quanta na nabuo sa panahon ng mga reaksyon sa bagay upang matiyak ang operability ng electromagnetic system. Sinusundan ito ng biological na proteksyon, na maaaring sundin ng mga tauhan ng halaman.

Ang isang "aktibong" blanket breeder ay idinisenyo upang makagawa ng isa sa mga bahagi ng thermonuclear fuel. Sa mga reactor na kumukonsumo ng tritium, ang mga materyales ng breeder (lithium compound) ay kasama sa kumot upang matiyak ang mahusay na produksyon ng tritium.

Kapag nagpapatakbo ng isang thermonuclear reactor gamit ang deuterium-tritium fuel, kinakailangang lagyang muli ang dami ng gasolina (D+T) sa reaktor at alisin ang 4He mula sa plasma. Bilang resulta ng mga reaksyon sa plasma, ang tritium ay nasusunog, at ang pangunahing bahagi ng enerhiya ng pagsasanib ay inililipat sa mga neutron, kung saan ang plasma ay transparent. Ito ay humahantong sa pangangailangan na maglagay ng isang espesyal na zone sa pagitan ng plasma at ng electromagnetic system, kung saan ang nasunog na tritium ay muling ginawa at ang bulk ng neutron energies ay nasisipsip. Ang zone na ito ay tinatawag na breeder blanket. Nag-reproduce ito ng tritium na nasunog sa plasma.

Ang tritium sa kumot ay maaaring gawin sa pamamagitan ng pag-irradiate ng lithium na may mga neutron flux sa pamamagitan ng mga reaksyong nuklear: 6 Li(n,a)T+4.8 MeV at 7 Li(n,n’a) - 2.4 MeV.

Kapag gumagawa ng tritium mula sa lithium, dapat itong isaalang-alang na ang natural na lithium ay binubuo ng dalawang isotopes: 6 Li (7.52%) at 7 Li (92.48%). Ang thermal neutron absorption cross section ng purong 6 Li 0 = 945 barn, at ang activation cross section para sa reaksyon (p, p) ay 0.028 barn. Para sa natural na lithium, ang cross section para sa pag-alis ng mga neutron na nabuo sa panahon ng fission ng uranium ay katumbas ng 1.01 barn, at ang cross section para sa pagsipsip ng thermal neutrons ay isang = 70.4 barn.

Ang spectra ng enerhiya ng y-radiation sa panahon ng radiative capture ng thermal neutrons 6 Li ay nailalarawan sa pamamagitan ng mga sumusunod na halaga: ang average na enerhiya ng y-quanta na ibinubuga sa bawat hinihigop na neutron, sa hanay ng enerhiya na 6^-7 MeV = 0.51 MeV, sa enerhiya saklaw 7-r8 MeV - 0 .94 MeV. Kabuuang Enerhiya

Sa isang thermonuclear reactor na tumatakbo sa D-T fuel, bilang resulta ng reaksyon:

Ang y-radiation bawat neutron capture ay 1.45 MeV. Para sa 7 Li, ang absorption cross section ay 0.047 barn, at ang activation cross section ay 0.033 barn (sa neutron energies sa itaas ng 2.8 MeV). Ang cross section para sa pag-alis ng fission neutrons ng LiH ng natural na komposisyon = 1.34 barn, metallic Li - 1.57 barn, LiF - 2.43 barn.

Ang mga thermonuclear neutron ay nabuo, na, na iniiwan ang dami ng plasma, ay pumapasok sa kumot na rehiyon na naglalaman ng lithium at beryllium, kung saan nangyayari ang mga sumusunod na reaksyon:

Kaya, ang isang thermonuclear reactor ay magsusunog ng deuterium at lithium, at bilang resulta ng mga reaksyon, ang inert gas helium ay mabubuo.

Sa panahon ng reaksyon ng D-T, ang tritium ay nasusunog sa plasma at isang neutron na may enerhiya na 14.1 MeV ay ginawa. Sa kumot ay kinakailangan na ang neutron na ito ay bumuo ng hindi bababa sa isang tritium atom upang masakop ang mga pagkalugi nito sa plasma. Rate ng pagpaparami ng tritium Upang("ang dami ng tritium na nabuo sa kumot sa bawat insidente na thermonuclear neutron) ay nakasalalay sa spectrum ng mga neutron sa kumot, ang laki ng pagsipsip at pagtagas ng mga neutron. Sa 0% na saklaw ng plasma ng kumot, ang halaga k> 1,05.

kanin. Fig. 4. Pagdepende sa cross section ng nuclear reactions ng tritium formation sa neutron energy: 1 - reaction 6 Li(n,t)'»He, 2 - reaction 7 Li(n,n',0 4 He.

Ang 6 Li nucleus ay may napakalaking absorption cross section para sa mga thermal neutron na may pagbuo ng tritium (953 barn sa 0.025 eV). Sa mababang enerhiya, ang neutron absorption cross section sa Li ay sumusunod sa batas (l/u) at sa kaso ng natural na lithium ay umabot sa halagang 71 barn para sa mga thermal neutron. Para sa 7 Li, ang cross section para sa pakikipag-ugnayan sa mga neutron ay 0.045 barn lamang. Samakatuwid, upang madagdagan ang pagiging produktibo ng breeder, ang natural na lithium ay dapat pagyamanin sa 6 Li isotope. Gayunpaman, ang pagtaas sa nilalaman ng 6 Li sa isang pinaghalong isotopes ay may kaunting epekto sa koepisyent ng pagpaparami ng tritium: mayroong pagtaas ng 5% na may pagtaas sa pagpapayaman ng 6 Li isotope hanggang 50% sa pinaghalong. Sa reaksyon 6 Li(n, T) "Ang lahat ng pinabagal na neutron ay hindi maa-absorb. Bilang karagdagan sa malakas na pagsipsip sa thermal region, mayroong isang maliit na pagsipsip (

Ang pag-asa ng cross section para sa reaksyon 6 Li(n,T) 4 He sa neutron energy ay ipinapakita sa Fig. 7. Gaya ng karaniwan para sa maraming iba pang mga reaksyong nuklear, ang cross section ng 6 Li(n,f) 4 He na reaksyon ay bumababa habang tumataas ang enerhiya ng neutron (maliban sa resonance sa isang enerhiya na 0.25 MeV).

Ang reaksyon sa pagbuo ng tritium sa Li isotope ay nangyayari sa mga mabilis na neutron sa enerhiya na >2.8 MeV. Sa ganitong reaksyon

tritium ay ginawa at walang neutron loss.

Ang reaksyong nuklear sa 6 Li ay hindi makakapagdulot ng pinalawak na produksyon ng tritium at mabayaran lamang ang nasunog na tritium

Ang reaksyon sa ?1l ay nagreresulta sa paglitaw ng isang tritium nucleus para sa bawat na-absorb na neutron at ang pagbabagong-buhay ng neutron na ito, na pagkatapos ay nasisipsip sa pagbabawas ng bilis at gumagawa ng isa pang tritium nucleus.

Magkomento. Sa natural na Li, ang rate ng pagpaparami ng tritium ay Upang"2. Para sa Li, LiFBeF 2, Li 2 0, LiF, Y^Pbz k= 2.0; 0.95; 1.1; 1.05 at i.6, ayon sa pagkakabanggit. Ang tinunaw na asin LiF (66%) + BeF 2 (34%) ay tinatawag na flyb ( FLiBe), ang paggamit nito ay mas mainam dahil sa mga kondisyon ng kaligtasan at pagbabawas ng mga pagkalugi ng tritium.

Dahil hindi lahat ng neutron ng D-T na reaksyon ay nakikilahok sa pagbuo ng isang tritium atom, kinakailangan na paramihin ang mga pangunahing neutron (14.1 MeV) gamit ang (n, 2n) o (n, sn) na reaksyon sa mga elemento na may sapat na malaking krus. seksyon para sa pakikipag-ugnayan ng mga mabilis na neutron, halimbawa, sa Be, Pb, Mo, Nb at maraming iba pang mga materyales na may Z> 25. Para sa beryllium threshold (n, 2 P) mga reaksyon 2.5 MeV; sa 14 MeV 0=0.45 barn. Bilang resulta, sa mga kumot na bersyon na may likido o ceramic lithium (LiA10 2) posible na makamit kay* 1.1+1.2. Sa kaso ng nakapalibot sa silid ng reaktor na may uranium blanket, ang multiplikasyon ng mga neutron ay maaaring tumaas nang malaki dahil sa mga reaksyon ng fission at (n, 2n), (n, zl) na mga reaksyon.

Tandaan 1. Ang sapilitan na aktibidad ng lithium sa panahon ng pag-iilaw sa mga neutron ay halos wala, dahil ang resultang radioactive isotope 8 Li (cr-radiation na may enerhiya na 12.7 MeV at /-radiation na may enerhiya na ~6 MeV) ay may napakaikling kalahati -buhay - 0.875 s. Ang mababang activation ng Lithium at maikling kalahating buhay ay nagpapadali sa bioprotection ng halaman.

Tandaan 2. Ang aktibidad ng tritium na nakapaloob sa kumot ng isang thermonuclear DT reactor ay ~*10 6 Ci, kaya ang paggamit ng DT fuel ay hindi ibinubukod ang teoretikal na posibilidad ng isang aksidente sa sukat ng ilang porsyento ng isang Chernobyl (ang ang release ay 510 7 Ci). Ang pagpapakawala ng tritium na may pagbuo ng T 2 0 ay maaaring humantong sa radioactive fallout, ang pagpasok ng tritium sa tubig sa lupa, mga reservoir, mga nabubuhay na organismo, mga halaman na may akumulasyon, sa huli, sa mga produktong pagkain.

Ang pagpili ng materyal at pinagsama-samang estado ng breeder ay isang malubhang problema. Ang materyal ng breeder ay dapat tiyakin ang isang mataas na porsyento ng conversion ng lithium sa tritium at madaling pagkuha ng huli para sa kasunod na paglipat sa sistema ng paghahanda ng gasolina.

Ang mga pangunahing pag-andar ng breeder blanket ay kinabibilangan ng: pagbuo ng isang plasma chamber; produksyon ng tritium na may coefficient k>i; conversion ng neutron kinetic energy sa init; pagbawi ng init na nabuo sa kumot sa panahon ng pagpapatakbo ng isang thermonuclear reactor; proteksyon ng radiation ng electromagnetic system; biological na proteksyon laban sa radiation.

Ang isang thermonuclear reactor na gumagamit ng D-T fuel, depende sa blanket material, ay maaaring "pure" o hybrid. Ang kumot ng isang "purong" thermonuclear reactor ay naglalaman ng Li, kung saan ang tritium ay ginawa sa ilalim ng impluwensya ng mga neutron at ang thermonuclear reaction ay pinahusay mula 17.6 MeV hanggang 22.4

MeV. Sa kumot ng isang hybrid ("aktibo") thermonuclear reactor, hindi lamang tritium ang ginawa, ngunit mayroon ding mga zone kung saan inilalagay ang basura 2 39Pi at upang makagawa ng 2 39Pi. Sa kasong ito, ang isang enerhiya na katumbas ng 140 MeV bawat neutron ay inilabas sa kumot. Ang kahusayan ng enerhiya ng isang hybrid fusion reactor ay anim na beses na mas mataas kaysa sa isang purong isa. Kasabay nito, ang mas mahusay na pagsipsip ng mga thermonuclear neutron ay nakamit, na nagpapataas ng kaligtasan ng pag-install. Gayunpaman, ang pagkakaroon ng mga fissile radioactive substance ay lumilikha ng kapaligiran ng radiation na katulad ng umiiral sa mga nuclear fission reactor.

kanin. 5.

Mayroong dalawang purong breeder blanket na konsepto batay sa paggamit ng likidong tritium breeding materials, o sa paggamit ng solidong lithium na naglalaman ng mga materyales. Ang mga pagpipilian sa disenyo para sa mga kumot ay nauugnay sa uri ng coolant na pinili (likidong metal, likidong asin, gas, organic, tubig) at ang klase ng mga posibleng materyales sa istruktura.

Sa likidong bersyon ng kumot, ang lithium ay ang coolant, at ang tritium ay ang reproductive material. Ang seksyon ng kumot ay binubuo ng unang pader, isang breeder zone (tunaw na lithium salt, isang reflector (bakal o tungsten) at isang bahagi ng proteksyon ng liwanag (halimbawa, titanium hydride). Ang pangunahing tampok ng isang lithium self-cooling blanket ay ang kawalan. ng karagdagang moderator at neutron multiplier. Sa isang kumot na may likidong breeder maaari mong gamitin ang mga sumusunod na asin: Li 2 BeF 4 ( T pl = 459°), LiBeF 3 (Twx.=380°), FLiNaBe (7^=305-320°). Kabilang sa mga salts sa itaas, ang Li 2 BeF 4 ay may pinakamababang lagkit, ngunit ang pinakamataas Twl. Ang Prospect Pb-Li eutectic at FLiNaBe ay natutunaw, na gumaganap din bilang isang self-cooler. Ang mga multiplier ng neutron sa naturang breeder ay spherical Be granules na may diameter na 2 mm.

Sa isang kumot na may solidong breeder, ang mga keramika na naglalaman ng lithium ay ginagamit bilang isang materyal ng breeder, at ang beryllium ay nagsisilbing isang neutron multiplier. Ang komposisyon ng naturang kumot ay kinabibilangan ng mga elemento tulad ng unang pader na may mga kolektor ng coolant; neutron breeding zone; tritium production zone; mga cooling channel para sa tritium breeding at reproduction zone; proteksyon ng bakal-tubig; Mga elemento ng pangkabit ng kumot; mga linya para sa pagbibigay at pagdiskarga ng coolant at tritium carrier gas. Ang mga istrukturang materyales ay vanadium alloys at steel ng ferritic o ferritic-martensitic class. Ang proteksyon sa radiation ay gawa sa mga sheet ng bakal. Ang coolant na ginamit ay helium gas sa ilalim ng pressure na yMPa na may temperaturang pumapasok na 300 0 at isang temperatura ng coolant sa labasan na 650 0.

Ang gawain ng radiochemical ay ihiwalay, linisin at ibalik ang tritium sa ikot ng gasolina. Sa kasong ito, ang pagpili ng mga functional na materyales para sa mga sistema ng pagbabagong-buhay ng bahagi ng gasolina (mga materyales ng breeder) ay mahalaga. Dapat tiyakin ng materyal ng breeder ang pag-alis ng enerhiya ng thermonuclear fusion, ang pagbuo ng tritium at ang epektibong pagkuha nito para sa kasunod na paglilinis at pagbabagong-anyo sa reactor fuel. Para sa layuning ito, kinakailangan ang isang materyal na may mataas na temperatura, radiation at mekanikal na pagtutol. Hindi gaanong mahalaga ang mga katangian ng pagsasabog ng materyal, na nagsisiguro ng mataas na kadaliang mapakilos ng tritium at, bilang isang resulta, mahusay na kahusayan ng pagkuha ng tritium mula sa materyal ng breeder sa medyo mababang temperatura.

Ang mga gumaganang sangkap ng kumot ay maaaring: ceramics Li 4 Si0 4 (o Li 2 Ti0 3) - isang reproducing material at beryllium - isang neutron multiplier. Parehong ang breeder at beryllium ay ginagamit sa anyo ng isang layer ng monodisperse pebbles (mga butil na may hugis na malapit sa spherical). Ang mga diameter ng Li 4 Si0 4 at Li 2 Ti0 3 na mga butil ay nag-iiba sa mga saklaw na 0.2-10.6 mm at mga 8 mm, ayon sa pagkakabanggit, at ang beryllium granules ay may diameter na 1 mm. Ang bahagi ng epektibong dami ng granule layer ay 63%. Upang magparami ng tritium, ang ceramic breeder ay pinayaman ng 6 Li isotope. Karaniwang 6 Li enrichment level: 40% para sa Li 4 Si0 4 at 70% para sa Li 2 Ti0 3.

Sa kasalukuyan, ang lithium metatitanate 1L 2 TIu 3 ay itinuturing na pinaka-promising dahil sa medyo mataas na rate ng paglabas ng tritium sa medyo mababang temperatura (mula 200 hanggang 400 0), radiation at paglaban sa kemikal. Ipinakita na ang mga butil ng lithium titanate, na pinayaman sa 96% 6 Li sa ilalim ng mga kondisyon ng matinding neutron irradiation at thermal effects, ay ginagawang posible na makabuo ng lithium sa halos pare-parehong rate sa loob ng dalawang taon. Ang tritium ay nakuha mula sa neutron-irradiated ceramics sa pamamagitan ng programmed heating ng breeder material sa tuloy-tuloy na pumping mode.

Ipinapalagay na sa industriya ng nuklear, ang mga pag-install ng thermonuclear fusion ay maaaring gamitin sa tatlong lugar:

  • - hybrid reactors kung saan ang kumot ay naglalaman ng fissile nuclides (uranium, plutonium), ang fission na kung saan ay kinokontrol ng isang malakas na daloy ng high-energy (14 MeV) neutrons;
  • - combustion initiators sa electronuclear subcritical reactors;
  • - transmutation ng mahabang buhay na mapanganib na kapaligiran na radionuclides para sa layunin ng radioactive waste disposal.

Ang mataas na enerhiya ng mga thermonuclear neutron ay nagbibigay ng magagandang pagkakataon para sa paghihiwalay ng mga grupo ng enerhiya ng mga neutron para sa pagsunog ng isang partikular na radionuclide sa resonant na rehiyon ng mga cross section.

Nuclear chain reaction- isang self-sustaining fission reaction ng mabibigat na nuclei, kung saan ang mga neutron ay patuloy na nagagawa, na naghahati sa parami nang paraming bagong nuclei. sa iba't ibang direksyon, at dalawa o tatlong neutron. Mga kinokontrol na chain reaction isinasagawa sa mga nuclear reactor o nuclear boiler. Kasalukuyan kinokontrol na mga reaksyon ng kadena ay isinasagawa sa mga isotopes ng uranium-235, uranium-233 (artipisyal na nakuha mula sa thorium-232), plutonium-239 (artipisyal na nakuha mula sa urium-238), pati na rin ang plutonium-241. Ang isang napakahalagang gawain ay ang paghiwalayin ang isotope nito, ang uranium-235, mula sa natural na uranium. Mula sa pinakaunang mga hakbang ng pag-unlad ng teknolohiyang nuklear, ang paggamit ng uranium-235 ay napakahalaga; ang pagkuha nito sa dalisay nitong anyo ay, gayunpaman, mahirap sa teknikal, dahil ang uranium-238 at uranium-235 ay hindi mapaghihiwalay sa kemikal.

50. Nuclear reactors. Mga prospect para sa paggamit ng thermonuclear energy.

Nuclear reactor ay isang aparato kung saan nangyayari ang isang kontroladong nuclear chain reaction, na sinamahan ng paglabas ng enerhiya. Ang unang nuclear reactor ay itinayo at inilunsad noong Disyembre 1942 sa USA sa ilalim ng pamumuno ni E. Fermi. Ang unang reaktor na itinayo sa labas ng Estados Unidos ay ang ZEEP, na inilunsad sa Canada noong Disyembre 25, 1946. Sa Europa, ang unang nuclear reactor ay ang pag-install ng F-1, na nagsimulang magtrabaho noong Disyembre 25, 1946 sa Moscow sa ilalim ng pamumuno ni I.V. Kurchatov. Pagsapit ng 1978, humigit-kumulang isang daang nuclear reactor ng iba't ibang uri ang tumatakbo na sa mundo. Ang mga bahagi ng anumang nuclear reactor ay: isang core na may nuclear fuel, kadalasang napapalibutan ng isang neutron reflector, isang coolant, isang chain reaction control system, radiation protection, at isang remote control system. Ang reactor vessel ay napapailalim sa pagsusuot (lalo na sa ilalim ng impluwensya ng ionizing radiation). Ang pangunahing katangian ng isang nuclear reactor ay ang kapangyarihan nito. Ang lakas na 1 MW ay tumutugma sa isang chain reaction kung saan 3·1016 fission event ang nangyari sa loob ng 1 segundo. Ang pananaliksik sa pisika ng mataas na temperatura ng plasma ay isinasagawa pangunahin na may kaugnayan sa pag-asam ng paglikha ng isang thermonuclear reactor. Ang pinakamalapit na mga parameter sa isang reaktor ay mga pag-install ng uri ng tokamak. Noong 1968, inihayag na ang pag-install ng T-3 ay umabot sa temperatura ng plasma na sampung milyong degree, sa pagbuo ng direksyong ito na ang mga siyentipiko mula sa maraming mga bansa ay nakatuon sa kanilang mga pagsisikap sa nakalipas na mga dekada. Ang unang pagpapakita ng sarili -Ang pagpapanatili ng thermonuclear reaction ay dapat isagawa sa isang tokamak na itinayo sa France sa pamamagitan ng pagsisikap ng iba't ibang bansa na ITER. Ang buong-scale na paggamit ng mga thermonuclear reactor sa sektor ng enerhiya ay inaasahan sa ikalawang kalahati ng ika-21 siglo. Bilang karagdagan sa mga tokamaks, may iba pang mga uri ng magnetic traps para sa pagkulong ng mataas na temperatura na plasma, halimbawa, ang tinatawag na open traps. Dahil sa isang bilang ng mga tampok, maaari silang humawak ng high-pressure na plasma at samakatuwid ay may magagandang prospect bilang makapangyarihang mga mapagkukunan ng mga thermonuclear neutron, at sa hinaharap bilang mga thermonuclear reactor.

Ang mga tagumpay na nakamit sa mga nakaraang taon sa Institute of Nuclear Physics SB RAS sa pananaliksik ng mga modernong axisymmetric open traps ay nagpapahiwatig ng pangako ng diskarte na ito. Ang mga pag-aaral na ito ay nagpapatuloy, at kasabay nito, ang BINP ay gumagawa ng isang disenyo para sa isang susunod na henerasyong pasilidad, na magagawa nang magpakita ng mga parameter ng plasma na malapit sa isang reaktor.

Ang isang fission chain reaction ay palaging sinasamahan ng paglabas ng napakalaking enerhiya. Ang praktikal na paggamit ng enerhiya na ito ay ang pangunahing gawain ng isang nuclear reactor.

Ang nuclear reactor ay isang aparato kung saan nangyayari ang isang kontrolado, o kontrolado, nuclear fission reaction.

Batay sa prinsipyo ng operasyon, ang mga nuclear reactor ay nahahati sa dalawang grupo: thermal neutron reactors at fast neutron reactors.

Paano gumagana ang isang thermal neutron nuclear reactor?

Ang isang tipikal na nuclear reactor ay may:

  • Core at moderator;
  • Neutron reflector;
  • Coolant;
  • Chain reaction control system, proteksyon sa emerhensiya;
  • Sistema ng kontrol at proteksyon ng radiation;
  • Remote control system.

1 - aktibong zone; 2 - reflector; 3 - proteksyon; 4 - control rods; 5 - coolant; 6 - sapatos na pangbabae; 7 - init exchanger; 8 - turbina; 9 - generator; 10 - kapasitor.

Core at moderator

Nasa core na nangyayari ang isang kinokontrol na fission chain reaction.

Karamihan sa mga nuclear reactor ay nagpapatakbo sa mabibigat na isotopes ng uranium-235. Ngunit sa mga natural na sample ng uranium ore ang nilalaman nito ay 0.72% lamang. Ang konsentrasyon na ito ay hindi sapat para sa isang chain reaction upang bumuo. Samakatuwid, ang mineral ay artipisyal na pinayaman, na dinadala ang nilalaman ng isotope na ito sa 3%.

Ang fissile material, o nuclear fuel, sa anyo ng mga tablet ay inilalagay sa hermetically sealed rods, na tinatawag na fuel rods (fuel elements). Sila ay tumagos sa buong aktibong zone na puno ng moderator mga neutron.

Bakit kailangan ng neutron moderator sa isang nuclear reactor?

Ang katotohanan ay ang mga neutron na ipinanganak pagkatapos ng pagkabulok ng uranium-235 nuclei ay may napakataas na bilis. Ang posibilidad na makuha sila ng ibang uranium nuclei ay daan-daang beses na mas mababa kaysa sa posibilidad na makuha ang mga mabagal na neutron. At kung ang kanilang bilis ay hindi nabawasan, ang nuclear reaction ay maaaring mamatay sa paglipas ng panahon. Ang moderator ay malulutas ang problema ng pagbabawas ng bilis ng mga neutron. Kung ang tubig o grapayt ay inilalagay sa landas ng mabilis na mga neutron, ang kanilang bilis ay maaaring artipisyal na mabawasan at sa gayon ang bilang ng mga particle na nakuha ng mga atom ay maaaring tumaas. Kasabay nito, ang isang chain reaction sa reactor ay mangangailangan ng mas kaunting nuclear fuel.

Bilang resulta ng pagbagal ng proseso, mga thermal neutron, ang bilis nito ay halos katumbas ng bilis ng thermal na paggalaw ng mga molekula ng gas sa temperatura ng silid.

Ang tubig, mabigat na tubig (deuterium oxide D 2 O), beryllium, at graphite ay ginagamit bilang isang moderator sa mga nuclear reactor. Ngunit ang pinakamahusay na moderator ay mabigat na tubig D2O.

Neutron reflector

Upang maiwasan ang pagtagas ng neutron sa kapaligiran, ang core ng isang nuclear reactor ay napapalibutan ng Neutron reflector. Ang materyal na ginagamit para sa mga reflector ay madalas na kapareho ng sa mga moderator.

Coolant

Ang init na inilabas sa panahon ng isang nuclear reaction ay tinanggal gamit ang isang coolant. Ang ordinaryong natural na tubig, na dati nang nilinis mula sa iba't ibang mga impurities at gas, ay kadalasang ginagamit bilang isang coolant sa mga nuclear reactor. Ngunit dahil ang tubig ay kumukulo na sa temperatura na 100 0 C at isang presyon ng 1 atm, upang mapataas ang kumukulo, ang presyon sa pangunahing circuit ng coolant ay tumaas. Ang pangunahing circuit ng tubig na nagpapalipat-lipat sa pamamagitan ng reactor core ay naghuhugas ng mga fuel rod, na nagpainit hanggang sa temperatura na 320 0 C. Pagkatapos, sa loob ng heat exchanger, nagbibigay ito ng init sa pangalawang circuit na tubig. Nagaganap ang palitan sa pamamagitan ng mga heat exchange tubes, kaya walang kontak sa tubig ng pangalawang circuit. Pinipigilan nito ang mga radioactive substance na pumasok sa pangalawang circuit ng heat exchanger.

At pagkatapos ang lahat ay nangyayari tulad ng sa isang thermal power plant. Ang tubig sa pangalawang circuit ay nagiging singaw. Ang singaw ay nagpapaikot ng turbine, na nagtutulak ng electric generator, na gumagawa ng electric current.

Sa mabigat na tubig reactors, ang coolant ay mabigat na tubig D2O, at sa mga reactor na may likidong metal coolant ito ay tinunaw na metal.

Sistema ng kontrol ng reaksyon ng chain

Ang kasalukuyang estado ng reaktor ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang dami na tinatawag reaktibiti.

ρ = ( k -1)/ k ,

k = n i / n i -1 ,

saan k - salik ng pagpaparami ng neutron,

n i - ang bilang ng mga neutron ng susunod na henerasyon sa reaksyon ng nuclear fission,

n i -1 , - ang bilang ng mga neutron ng nakaraang henerasyon sa parehong reaksyon.

Kung k ˃ 1 , lumalaki ang chain reaction, tinatawag ang system superkritikal y. Kung k< 1 , namatay ang chain reaction, at tinawag ang system subcritical. Sa k = 1 ang reactor ay nasa matatag na kritikal na kondisyon, dahil ang bilang ng fissile nuclei ay hindi nagbabago. Sa ganitong estado reaktibiti ρ = 0 .

Ang kritikal na estado ng reaktor (ang kinakailangang neutron multiplication factor sa isang nuclear reactor) ay pinananatili sa pamamagitan ng paggalaw control rods. Ang materyal kung saan ginawa ang mga ito ay kinabibilangan ng mga sangkap na sumisipsip ng neutron. Sa pamamagitan ng pagpapalawak o pagtulak ng mga rod na ito sa core, ang rate ng reaksyon ng nuclear fission ay kinokontrol.

Ang sistema ng kontrol ay nagbibigay ng kontrol sa reaktor sa panahon ng pagsisimula nito, naka-iskedyul na pagsara, pagpapatakbo sa kapangyarihan, pati na rin ang emergency na proteksyon ng nuclear reactor. Ito ay nakakamit sa pamamagitan ng pagbabago ng posisyon ng mga control rod.

Kung ang alinman sa mga parameter ng reaktor (temperatura, presyon, rate ng pagtaas ng kuryente, pagkonsumo ng gasolina, atbp.) ay lumihis mula sa pamantayan, at ito ay maaaring humantong sa isang aksidente, espesyal mga pang-emergency na tungkod at ang reaksyong nuklear ay mabilis na huminto.

Tiyakin na ang mga parameter ng reactor ay sumusunod sa mga pamantayan control at radiation protection system.

Upang maprotektahan ang kapaligiran mula sa radioactive radiation, ang reactor ay inilalagay sa isang makapal na kongkretong shell.

Mga remote control system

Ang lahat ng mga signal tungkol sa estado ng nuclear reactor (coolant temperature, radiation level sa iba't ibang bahagi ng reactor, atbp.) ay ipinapadala sa reactor control panel at pinoproseso sa mga computer system. Ang operator ay tumatanggap ng lahat ng kinakailangang impormasyon at mga rekomendasyon para sa pag-aalis ng ilang mga paglihis.

Mabilis na mga reaktor

Ang pagkakaiba sa pagitan ng mga reactor ng ganitong uri at thermal neutron reactors ay ang mga mabilis na neutron na nagmumula pagkatapos ng pagkabulok ng uranium-235 ay hindi pinabagal, ngunit nasisipsip ng uranium-238 kasama ang kasunod na conversion nito sa plutonium-239. Samakatuwid, ang mga mabilis na neutron reactor ay ginagamit upang makabuo ng plutonium-239 at thermal energy na may antas ng armas, na ginagawang elektrikal na enerhiya ng mga nuclear power plant generator.

Ang nuclear fuel sa naturang mga reactor ay uranium-238, at ang raw material ay uranium-235.

Sa natural na uranium ore, 99.2745% ay uranium-238. Kapag ang isang thermal neutron ay nasisipsip, hindi ito nag-fission, ngunit nagiging isotope ng uranium-239.

Ilang oras pagkatapos ng β-decay, ang uranium-239 ay nagiging isang neptunium-239 nucleus:

239 92 U → 239 93 Np + 0 -1 e

Pagkatapos ng pangalawang β-decay, nabuo ang fissile plutonium-239:

239 9 3 Np → 239 94 Pu + 0 -1 e

At sa wakas, pagkatapos ng pagkabulok ng alpha ng plutonium-239 nucleus, nakuha ang uranium-235:

239 94 Pu → 235 92 U + 4 2 Siya

Ang mga fuel rod na may mga hilaw na materyales (enriched uranium-235) ay matatagpuan sa reactor core. Ang zone na ito ay napapalibutan ng isang breeding zone, na binubuo ng mga fuel rod na may gasolina (depleted uranium-238). Ang mga mabilis na neutron na ibinubuga mula sa core pagkatapos ng pagkabulok ng uranium-235 ay nakuha ng uranium-238 nuclei. Bilang resulta, nabuo ang plutonium-239. Kaya, ang bagong nuclear fuel ay ginawa sa mabilis na neutron reactors.

Ang mga likidong metal o halo nito ay ginagamit bilang mga coolant sa mga fast neutron nuclear reactor.

Pag-uuri at aplikasyon ng mga nuclear reactor

Ang mga nuclear reactor ay pangunahing ginagamit sa mga nuclear power plant. Sa kanilang tulong, ang elektrikal at thermal na enerhiya ay ginawa sa isang pang-industriya na sukat. Ang mga naturang reactor ay tinatawag enerhiya .

Ang mga nuclear reactor ay malawakang ginagamit sa mga propulsion system ng modernong nuclear submarine, surface ship, at sa space technology. Nagbibigay sila ng mga motor na may elektrikal na enerhiya at tinatawag mga transport reactor .

Para sa siyentipikong pananaliksik sa larangan ng nuclear physics at radiation chemistry, ang mga flux ng neutron at gamma quanta ay ginagamit, na nakuha sa core. mga reaktor ng pananaliksik. Ang enerhiya na nabuo ng mga ito ay hindi lalampas sa 100 MW at hindi ginagamit para sa mga layuning pang-industriya.

kapangyarihan mga eksperimentong reaktor mas kaunti pa. Ito ay umabot sa halagang ilang kW lamang. Ang mga reaktor na ito ay nag-aaral ng iba't ibang pisikal na dami, ang kahulugan nito ay mahalaga sa disenyo ng mga reaksyong nuklear.

SA mga reaktor sa industriya isama ang mga reactor para sa paggawa ng radioactive isotopes na ginagamit para sa mga layuning medikal, gayundin sa iba't ibang larangan ng industriya at teknolohiya. Ang mga reaktor ng desalinasyon ng tubig-dagat ay inuri din bilang mga reaktor ng industriya.

Iminungkahi ng mga siyentipiko sa Princeton Plasma Physics Laboratory ang ideya ng pinakamatagal na nuclear fusion device na maaaring gumana nang higit sa 60 taon. Sa ngayon, ito ay isang mahirap na gawain: ang mga siyentipiko ay struggling upang gumawa ng isang thermonuclear reactor gumana para sa isang ilang minuto - at pagkatapos ay taon. Sa kabila ng pagiging kumplikado, ang pagtatayo ng isang thermonuclear reactor ay isa sa mga pinaka-promising na gawain sa agham, na maaaring magdala ng napakalaking benepisyo. Sinasabi namin sa iyo kung ano ang kailangan mong malaman tungkol sa thermonuclear fusion.

1. Ano ang thermonuclear fusion?

Huwag matakot sa masalimuot na pariralang ito, ito ay talagang simple. Ang pagsasanib ay isang uri ng reaksyong nuklear.

Sa panahon ng isang reaksyong nuklear, ang nucleus ng isang atom ay nakikipag-ugnayan sa alinman sa elementarya o sa nucleus ng isa pang atom, dahil sa kung saan nagbabago ang komposisyon at istraktura ng nucleus. Ang isang mabigat na atomic nucleus ay maaaring mabulok sa dalawa o tatlong mas magaan - ito ay isang reaksyon ng fission. Mayroon ding fusion reaction: ito ay kapag ang dalawang light atomic nuclei ay sumanib sa isang mabigat.

Hindi tulad ng nuclear fission, na maaaring mangyari nang spontaneously o sapilitan, ang nuclear fusion ay imposible nang walang supply ng panlabas na enerhiya. Tulad ng alam mo, ang mga magkasalungat ay umaakit, ngunit ang mga atomic na nuclei ay positibong sisingilin - kaya nagtataboy sila sa isa't isa. Ang sitwasyong ito ay tinatawag na Coulomb barrier. Upang mapagtagumpayan ang pagtanggi, ang mga particle na ito ay dapat na mapabilis sa nakatutuwang bilis. Magagawa ito sa napakataas na temperatura - sa pagkakasunud-sunod ng ilang milyong Kelvin. Ito ang mga reaksyong ito na tinatawag na thermonuclear.

2. Bakit kailangan natin ng thermonuclear fusion?

Sa panahon ng mga reaksyong nuklear at thermonuclear, isang malaking halaga ng enerhiya ang inilabas, na maaaring magamit para sa iba't ibang layunin - maaari kang lumikha ng makapangyarihang mga sandata, o maaari mong i-convert ang enerhiyang nuklear sa kuryente at ibigay ito sa buong mundo. Ang nuclear decay energy ay matagal nang ginagamit sa mga nuclear power plant. Ngunit ang thermonuclear energy ay mukhang mas promising. Sa isang thermonuclear reaction, mas maraming enerhiya ang inilalabas para sa bawat nucleon (ang tinatawag na constituent nuclei, protons at neutrons) kaysa sa isang nuclear reaction. Halimbawa, kapag Ang fission ng uranium nucleus sa isang nucleon ay gumagawa ng 0.9 MeV (megaelectronvolt), at kapagSa panahon ng pagsasanib ng helium nuclei, ang enerhiya na katumbas ng 6 MeV ay inilabas mula sa hydrogen nuclei. Samakatuwid, natututo ang mga siyentipiko na magsagawa ng mga reaksiyong thermonuclear.

Ginagawang posible ng Thermonuclear fusion research at reactor construction na palawakin ang high-tech na produksyon, na kapaki-pakinabang sa iba pang larangan ng agham at high-tech.

3. Ano ang mga reaksiyong thermonuclear?

Ang mga thermonuclear reaction ay nahahati sa self-sustaining, uncontrolled (ginagamit sa hydrogen bombs) at controlled (angkop para sa mapayapang layunin).

Nagaganap ang mga self-sustaining reaction sa loob ng mga bituin. Gayunpaman, walang mga kondisyon sa Earth para maganap ang gayong mga reaksyon.

Ang mga tao ay nagsasagawa ng hindi makontrol o sumasabog na thermonuclear fusion sa loob ng mahabang panahon. Noong 1952, sa panahon ng Operation Ivy Mike, pinasabog ng mga Amerikano ang unang thermonuclear explosive device sa mundo, na walang praktikal na halaga bilang sandata. At noong Oktubre 1961, ang unang thermonuclear (hydrogen) na bomba sa mundo ("Tsar Bomba", "Kuzka's Mother"), na binuo ng mga siyentipikong Sobyet sa ilalim ng pamumuno ni Igor Kurchatov, ay nasubok. Ito ang pinakamalakas na explosive device sa buong kasaysayan ng sangkatauhan: ang kabuuang enerhiya ng pagsabog, ayon sa iba't ibang mga mapagkukunan, ay mula 57 hanggang 58.6 megatons ng TNT. Upang magpasabog ng hydrogen bomb, kailangan munang makakuha ng mataas na temperatura sa panahon ng isang conventional nuclear explosion - saka lamang magsisimulang mag-react ang atomic nuclei.

Ang kapangyarihan ng isang pagsabog sa panahon ng isang hindi nakokontrol na reaksyong nuklear ay napakataas, at bilang karagdagan, ang proporsyon ng radioactive na kontaminasyon ay mataas. Samakatuwid, upang magamit ang thermonuclear energy para sa mapayapang layunin, kailangang matutunan kung paano ito kontrolin.

4. Ano ang kailangan para sa isang kinokontrol na thermonuclear reaction?

Hawakan ang plasma!

Hindi maliwanag? Ipaliwanag natin ngayon.

Una, atomic nuclei. Sa enerhiya ng nukleyar, ginagamit ang mga isotopes - mga atom na naiiba sa bawat isa sa bilang ng mga neutron at, nang naaayon, sa atomic mass. Ang hydrogen isotope deuterium (D) ay nakuha mula sa tubig. Ang superheavy hydrogen o tritium (T) ay isang radioactive isotope ng hydrogen na isang byproduct ng mga reaksyon ng pagkabulok na isinasagawa sa mga conventional nuclear reactors. Gayundin sa mga reaksiyong thermonuclear, ginagamit ang isang light isotope ng hydrogen - protium: ito ang tanging matatag na elemento na walang mga neutron sa nucleus. Ang Helium-3 ay matatagpuan sa Earth sa hindi gaanong dami, ngunit marami ito sa lunar na lupa (regolith): noong 80s, ang NASA ay bumuo ng isang plano para sa hypothetical installation para sa pagproseso ng regolith at paglabas ng isang mahalagang isotope. Ngunit ang isa pang isotope ay laganap sa ating planeta - boron-11. 80% ng boron sa Earth ay isang isotope na kailangan para sa mga nuclear scientist.

Pangalawa, ang temperatura ay napakataas. Ang sangkap na kalahok sa thermonuclear reaction ay dapat na halos ganap na ionized plasma - ito ay isang gas kung saan ang mga libreng electron at ion ng iba't ibang singil ay lumulutang nang hiwalay. Upang gawing plasma ang isang substance, kinakailangan ang temperaturang 10 7 –10 8 K - daan-daang milyong degrees Celsius iyon! Ang ganitong mga napakataas na temperatura ay maaaring makamit sa pamamagitan ng paglikha ng mga high-power electrical discharges sa plasma.

Gayunpaman, hindi mo maaaring painitin ang mga kinakailangang elemento ng kemikal. Anumang reaktor ay agad na sumingaw sa mga naturang temperatura. Nangangailangan ito ng ganap na kakaibang diskarte. Ngayon ay posible na maglaman ng plasma sa isang limitadong lugar gamit ang napakalakas na electric magnet. Ngunit hindi pa posible na ganap na magamit ang enerhiya na nakuha bilang isang resulta ng isang thermonuclear reaksyon: kahit na sa ilalim ng impluwensya ng isang magnetic field, ang plasma ay kumakalat sa kalawakan.

5. Aling mga reaksyon ang pinaka-promising?

Ang pangunahing mga reaksyong nuklear na binalak na gamitin para sa kinokontrol na pagsasanib ay gagamit ng deuterium (2H) at tritium (3H), at sa mas mahabang termino ay helium-3 (3He) at boron-11 (11B).

Narito kung ano ang hitsura ng mga pinakakagiliw-giliw na reaksyon.

1) 2 D+ 3 T -> 4 He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV) - reaksyon ng deuterium-tritium.

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% - ito ang tinatawag na deuterium monopropellant.

Ang mga reaksyon 1 at 2 ay puno ng neutron radioactive contamination. Samakatuwid, ang mga "neutron-free" na reaksyon ay ang pinaka-promising.

3) 2 D+ 3 He -> 4 He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV) - ang deuterium ay tumutugon sa helium-3. Ang problema ay ang helium-3 ay napakabihirang. Gayunpaman, ang neutron-free yield ay ginagawang promising ang reaksyong ito.

4) p+ 11 B -> 3 4 He + 8.7 MeV - ang boron-11 ay tumutugon sa protium, na nagreresulta sa mga alpha particle na maaaring masipsip ng aluminum foil.

6. Saan gagawin ang ganitong reaksyon?

Ang isang natural na thermonuclear reactor ay isang bituin. Sa loob nito, ang plasma ay gaganapin sa ilalim ng impluwensya ng grabidad, at ang radiation ay nasisipsip - sa gayon, ang core ay hindi lumalamig.

Sa Earth, ang mga reaksiyong thermonuclear ay maaari lamang isagawa sa mga espesyal na pag-install.

Mga sistema ng pulso. Sa ganitong mga sistema, ang deuterium at tritium ay pinaiinitan ng napakalakas na laser beam o electron/ion beam. Ang ganitong pag-iilaw ay nagdudulot ng pagkakasunod-sunod ng mga thermonuclear microexplosions. Gayunpaman, ang mga ganitong sistema ay hindi kapaki-pakinabang na gamitin sa isang pang-industriya na sukat: mas maraming enerhiya ang ginugugol sa pagpapabilis ng mga atomo kaysa sa nakuha bilang resulta ng pagsasanib, dahil hindi lahat ng pinabilis na mga atomo ay tumutugon. Samakatuwid, maraming mga bansa ang nagtatayo ng mga quasi-stationary system.

Quasi-stationary system. Sa ganitong mga reactor, ang plasma ay naglalaman ng magnetic field sa mababang presyon at mataas na temperatura. Mayroong tatlong uri ng mga reactor batay sa iba't ibang mga pagsasaayos ng magnetic field. Ito ang mga tokamaks, stellarators (torsatrons) at mirror traps.

Tokamak ibig sabihin ay "toroidal chamber na may magnetic coils". Ito ay isang "donut" (torus) na hugis na silid kung saan ang mga coils ay nasugatan. Ang pangunahing tampok ng isang tokamak ay ang paggamit ng alternating electric current, na dumadaloy sa plasma, pinainit ito at, na lumilikha ng magnetic field sa paligid nito, hawak ito.

SA stellarator (torsatron) ang magnetic field ay ganap na nilalaman ng magnetic coils at, hindi katulad ng isang tokamak, ay maaaring patuloy na patakbuhin.

Sa z salamin (bukas) mga bitag Ginagamit ang prinsipyo ng pagmuni-muni. Ang silid ay sarado sa magkabilang panig ng magnetic "plugs" na sumasalamin sa plasma, pinapanatili ito sa reaktor.

Sa mahabang panahon, ang mga mirror traps at tokamaks ay nakipaglaban para sa primacy. Sa una, ang konsepto ng bitag ay tila mas simple at samakatuwid ay mas mura. Noong unang bahagi ng 60s, ang mga bukas na bitag ay saganang pinondohan, ngunit ang kawalang-tatag ng plasma at ang hindi matagumpay na mga pagtatangka na lagyan ito ng magnetic field ay pinilit ang mga pag-install na ito na maging mas kumplikado - ang tila simpleng mga istraktura ay naging infernal machine, at imposibleng makamit ang isang matatag na resulta. Samakatuwid, noong dekada 80, ang tokamak ay nauna. Noong 1984, ang European JET tokamak ay inilunsad, na nagkakahalaga lamang ng $180 milyon at ang mga parameter ay nagpapahintulot para sa isang thermonuclear reaction. Sa USSR at France, ang mga superconducting tokamaks ay dinisenyo, na halos walang enerhiya sa pagpapatakbo ng magnetic system.

7. Sino ngayon ang natututong magsagawa ng mga reaksiyong thermonuclear?

Maraming mga bansa ang nagtatayo ng kanilang sariling mga thermonuclear reactor. Ang Kazakhstan, China, USA at Japan ay may sariling mga eksperimentong reaktor. Ang Kurchatov Institute ay nagtatrabaho sa IGNITOR reactor. Inilunsad ng Germany ang Wendelstein 7-X fusion stellarator reactor.

Ang pinakatanyag ay ang internasyonal na proyektong tokamak na ITER (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) sa Cadarache research center (France). Ang pagtatayo nito ay dapat makumpleto sa 2016, ngunit ang halaga ng kinakailangang suporta sa pananalapi ay tumaas, at ang oras ng mga eksperimento ay lumipat sa 2025. Ang European Union, USA, China, India, Japan, South Korea at Russia ay lumahok sa mga aktibidad ng ITER. Ang EU ay gumaganap ng pangunahing bahagi sa financing (45%), habang ang natitirang mga kalahok ay nagbibigay ng high-tech na kagamitan. Sa partikular, ang Russia ay gumagawa ng mga superconducting na materyales at cable, radio tubes para sa pagpainit ng plasma (gyrotrons) at mga piyus para sa superconducting coils, pati na rin ang mga bahagi para sa pinaka-kumplikadong bahagi ng reactor - ang unang pader, na dapat makatiis sa mga electromagnetic na pwersa, neutron radiation at radiation ng plasma.

8. Bakit hindi pa rin tayo gumamit ng fusion reactors?

Ang mga modernong pag-install ng tokamak ay hindi mga thermonuclear reactor, ngunit mga pag-install ng pananaliksik kung saan ang pagkakaroon at pagpapanatili ng plasma ay posible lamang sa ilang sandali. Ang katotohanan ay ang mga siyentipiko ay hindi pa natutunan kung paano panatilihin ang plasma sa isang reaktor sa loob ng mahabang panahon.

Sa ngayon, ang isa sa mga pinakadakilang tagumpay sa larangan ng nuclear fusion ay ang tagumpay ng mga Aleman na siyentipiko na pinamamahalaang magpainit ng hydrogen gas sa 80 milyong degrees Celsius at mapanatili ang isang ulap ng hydrogen plasma sa loob ng isang-kapat ng isang segundo. At sa Tsina, ang hydrogen plasma ay pinainit sa 49.999 milyong degrees at nahawakan ng 102 segundo. Ang mga siyentipikong Ruso mula sa G.I. Budker Institute of Nuclear Physics, Novosibirsk, ay nakamit ang matatag na pag-init ng plasma hanggang sampung milyong degrees Celsius. Gayunpaman, kamakailan ay iminungkahi ng mga Amerikano ang isang paraan upang mapanatili ang plasma sa loob ng 60 taon - at ito ay nakapagpapatibay.

Bilang karagdagan, mayroong debate tungkol sa kakayahang kumita ng nuclear fusion sa industriya. Hindi alam kung ang mga benepisyo ng pagbuo ng kuryente ay sasakupin ang mga gastos ng nuclear fusion. Iminungkahi na mag-eksperimento sa mga reaksyon (halimbawa, iwanan ang tradisyonal na reaksyon ng deuterium-tritium o monopropellant sa pabor sa iba pang mga reaksyon), mga materyales sa pagtatayo - o kahit na iwanan ang ideya ng pang-industriyang thermonuclear fusion, gamit lamang ito para sa mga indibidwal na reaksyon sa fission mga reaksyon. Gayunpaman, ang mga siyentipiko ay nagpapatuloy pa rin sa mga eksperimento.

9. Ligtas ba ang mga fusion reactor?

medyo. Ang tritium, na ginagamit sa mga fusion reaction, ay radioactive. Bilang karagdagan, ang mga neuron na inilabas bilang resulta ng synthesis ay nag-iilaw sa istraktura ng reaktor. Ang mga elemento ng reaktor mismo ay natatakpan ng radioactive dust dahil sa pagkakalantad sa plasma.

Gayunpaman, ang isang fusion reactor ay mas ligtas kaysa sa isang nuclear reactor sa mga tuntunin ng radiation. Mayroong medyo kakaunting radioactive substance sa reactor. Bilang karagdagan, ang disenyo ng reaktor mismo ay ipinapalagay na walang mga "butas" kung saan maaaring tumagas ang radiation. Ang vacuum chamber ng reactor ay dapat na selyadong, kung hindi, ang reactor ay hindi na makakapagpatakbo. Sa panahon ng pagtatayo ng mga thermonuclear reactor, ginagamit ang mga materyales na sinubok ng nuclear energy, at pinapanatili ang pinababang presyon sa lugar.

  • Kailan lilitaw ang mga thermonuclear power plant?

    Kadalasang sinasabi ng mga siyentipiko tulad ng "sa 20 taon ay malulutas natin ang lahat ng pangunahing isyu." Ang mga inhinyero mula sa industriya ng nuklear ay nagsasalita tungkol sa ikalawang kalahati ng ika-21 siglo. Ang mga pulitiko ay nagsasalita tungkol sa isang dagat ng malinis na enerhiya para sa mga pennies, nang hindi nag-abala sa mga petsa.

  • Paano hinahanap ng mga siyentipiko ang madilim na bagay sa kailaliman ng Earth

    Daan-daang milyong taon na ang nakalilipas, ang mga mineral sa ilalim ng ibabaw ng lupa ay maaaring may mga bakas ng isang misteryosong sangkap. Ang natitira na lang ay makarating sa kanila. Higit sa dalawang dosenang underground laboratories na nakakalat sa buong mundo ay abala sa paghahanap ng dark matter.

  • Paano tinulungan ng mga siyentipiko ng Siberia ang tao na lumipad patungo sa mga bituin

    Noong Abril 12, 1961, ginawa ni Yuri Gagarin ang unang paglipad sa kalawakan - ang magandang ngiti ng piloto at ang kanyang masayang "Let's go!" naging tagumpay ng Soviet cosmonautics. Para maganap ang paglipad na ito, pinag-isipan ng mga siyentipiko sa buong bansa ang kanilang mga utak tungkol sa kung paano gumawa ng isang rocket na makatiis sa lahat ng mga panganib ng hindi kilalang espasyo - hindi ito nang walang mga ideya ng mga siyentipiko mula sa Siberian Branch ng Academy of Sciences.

    • Encyclopedic YouTube

      1 / 5

      ✪ Nuclear Rocket Engine Pinakabagong Teknolohiya 2016

      ✪ Ang unang nuclear space engine sa mundo ay binuo sa Russia.

      ✪ Atomic Horizons (03/26/2016): Mga teknolohiya sa kaligtasan ng nuklear

      ✪ Nuclear reactor sa halip na puso?

      ✪ Enerhiya at teknolohiyang nuklear

      Mga subtitle

    Physics

    Ang atomic nuclei ay binubuo ng dalawang uri ng mga nucleon - mga proton at neutron. Pinagsasama-sama sila ng tinatawag na strong interaction. Sa kasong ito, ang nagbubuklod na enerhiya ng bawat nucleon sa iba ay nakasalalay sa kabuuang bilang ng mga nucleon sa nucleus, tulad ng ipinapakita sa graph sa kanan. Ipinapakita ng graph na para sa light nuclei, habang tumataas ang bilang ng mga nucleon, tumataas ang nagbubuklod na enerhiya, at para sa mabibigat na nuclei ay bumababa ito. Kung nagdagdag ka ng mga nucleon sa magaan na nuclei o nag-aalis ng mga nucleon mula sa mabibigat na atomo, ang pagkakaibang ito sa nagbubuklod na enerhiya ay ilalabas bilang kinetic energy ng mga particle na inilabas bilang resulta ng mga pagkilos na ito. Ang kinetic energy (enerhiya ng paggalaw) ng mga particle ay nagbabago sa thermal motion ng mga atom pagkatapos ng banggaan ng mga particle sa mga atom. Kaya ang enerhiyang nuklear ay nagpapakita ng sarili sa anyo ng init.

    Ang pagbabago sa komposisyon ng nucleus ay tinatawag na nuclear transformation o nuclear reaction. Ang reaksyong nuklear na may pagtaas ng bilang ng mga nucleon sa nucleus ay tinatawag na thermonuclear reaction o nuclear fusion. Ang isang nuclear reaction na may pagbaba sa bilang ng mga nucleon sa nucleus ay tinatawag na nuclear decay o nuclear fission.

    Nuclear fission

    Ang nuclear fission ay maaaring kusang-loob (kusang) o sanhi ng mga panlabas na impluwensya (sapilitan).

    Spontaneous fission

    Naniniwala ang modernong agham na ang lahat ng elemento ng kemikal na mas mabigat kaysa sa hydrogen ay na-synthesize bilang resulta ng mga thermonuclear reaction sa loob ng mga bituin. Depende sa bilang ng mga proton at neutron, ang nucleus ay maaaring maging matatag o malamang na kusang hatiin sa ilang bahagi. Matapos ang katapusan ng mga buhay ng mga bituin, nabuo ang mga matatag na atomo sa mundong alam natin, at ang mga hindi matatag na atomo ay unti-unting nabubulok bago ang pagbuo ng mga matatag. Sa Earth hanggang sa araw na ito, dalawa lamang ang hindi matatag na mga sangkap ang nakaligtas sa dami ng industriya ( radioactive) mga elemento ng kemikal - uranium at thorium. Ang iba pang hindi matatag na elemento ay ginawang artipisyal sa mga accelerator o reactor.

    Chain reaction

    Ang ilang mabibigat na nuclei ay madaling nakakabit ng panlabas na libreng neutron, nagiging hindi matatag at nabubulok, na naglalabas ng ilang bagong libreng neutron. Sa turn, ang mga pinakawalan na neutron na ito ay maaaring pumasok sa kalapit na nuclei at maging sanhi din ng kanilang pagkabulok sa paglabas ng karagdagang mga libreng neutron. Ang prosesong ito ay tinatawag na chain reaction. Para sa isang chain reaction na mangyari, ito ay kinakailangan upang lumikha ng mga tiyak na kondisyon: upang tumutok sa isang lugar ng isang sapat na malaking halaga ng isang sangkap na may kakayahang isang chain reaction. Ang density at dami ng sangkap na ito ay dapat sapat upang ang mga libreng neutron ay walang oras na umalis sa sangkap, na nakikipag-ugnayan sa nuclei na may mataas na posibilidad. Ang posibilidad na ito ay nailalarawan salik ng pagpaparami ng neutron. Kapag pinahihintulutan ng volume, density at configuration ng substance ang neutron multiplication factor na maabot ang pagkakaisa, magsisimula ang isang self-sustaining chain reaction, at ang masa ng fissile substance ay tatawaging critical mass. Naturally, ang bawat pagkabulok sa kadena na ito ay humahantong sa pagpapakawala ng enerhiya.

    Natutunan ng mga tao na magsagawa ng mga chain reaction sa mga espesyal na istruktura. Depende sa kinakailangang rate ng chain reaction at ang heat generation nito, ang mga istrukturang ito ay tinatawag na nuclear weapons o nuclear reactors. Sa mga sandatang nuklear, ang isang avalanche-like uncontrolled chain reaction ay isinasagawa na may pinakamataas na naaabot na neutron multiplication factor upang makamit ang maximum na paglabas ng enerhiya bago mangyari ang thermal destruction ng istraktura. Sa mga nuclear reactor, sinusubukan nilang makamit ang isang matatag na neutron flux at paglabas ng init upang ang reactor ay gumanap ng mga gawain nito at hindi bumagsak mula sa labis na mga thermal load. Ang prosesong ito ay tinatawag na kinokontrol na chain reaction.

    Kinokontrol na chain reaction

    Sa mga nuclear reactor, ang mga kondisyon ay nilikha para sa kinokontrol na chain reaction. Tulad ng malinaw mula sa kahulugan ng isang chain reaction, ang rate nito ay maaaring kontrolin sa pamamagitan ng pagbabago ng neutron multiplication factor. Upang gawin ito, maaari mong baguhin ang iba't ibang mga parameter ng disenyo: ang density ng fissile substance, ang spectrum ng enerhiya ng mga neutron, ipakilala ang mga sangkap na sumisipsip ng mga neutron, magdagdag ng mga neutron mula sa mga panlabas na mapagkukunan, atbp.

    Gayunpaman, ang chain reaction ay isang napakabilis na parang avalanche na proseso; halos imposibleng mapagkakatiwalaan itong direktang kontrolin. Samakatuwid, upang makontrol ang reaksyon ng kadena, ang mga naantalang neutron ay napakahalaga - ang mga neutron ay nabuo sa panahon ng kusang pagkabulok ng hindi matatag na isotopes na nabuo bilang resulta ng mga pangunahing pagkabulok ng fissile na materyal. Ang oras mula sa pangunahing pagkabulok hanggang sa mga naantalang neutron ay nag-iiba mula sa millisecond hanggang minuto, at ang bahagi ng mga naantalang neutron sa balanse ng neutron ng reaktor ay umabot ng ilang porsyento. Ang ganitong mga halaga ng oras ay ginagawang posible na ayusin ang proseso gamit ang mga mekanikal na pamamaraan. Ang neutron multiplication factor, na isinasaalang-alang ang mga naantalang neutron, ay tinatawag na epektibong neutron multiplication factor, at sa halip na kritikal na masa, ang konsepto ng reaktibiti ng isang nuclear reactor ay ipinakilala.

    Ang dynamics ng isang kinokontrol na chain reaction ay naiimpluwensyahan din ng iba pang mga produkto ng fission, na ang ilan ay maaaring epektibong sumipsip ng mga neutron (tinatawag na neutron poison). Kapag nagsimula ang chain reaction, naipon sila sa reactor, na binabawasan ang epektibong neutron multiplication factor at reaktibiti ng reactor. Pagkaraan ng ilang oras, ang isang balanse ay nangyayari sa akumulasyon at pagkabulok ng naturang isotopes at ang reactor ay pumapasok sa isang stable mode. Kung ang reactor ay isinara, ang mga neutron poison ay mananatili sa reaktor sa loob ng mahabang panahon, na nagpapahirap sa pag-restart. Ang katangian ng buhay ng mga neutron poison sa decay chain ng uranium ay hanggang kalahating araw. Pinipigilan ng mga lason ng neutron ang mga nuclear reactor mula sa mabilis na pagbabago ng kapangyarihan.

    Nuclear fusion

    Neutron spectrum

    Ang pamamahagi ng neutron energies sa isang neutron flux ay karaniwang tinatawag na neutron spectrum. Tinutukoy ng neutron energy ang pattern ng interaksyon ng neutron sa nucleus. Nakaugalian na makilala ang ilang mga hanay ng enerhiya ng neutron, kung saan ang mga sumusunod ay makabuluhan para sa mga teknolohiyang nuklear:

    • Mga thermal neutron. Pinangalanan ang mga ito dahil nasa energy equilibrium sila sa mga thermal vibrations ng mga atom at hindi inililipat ang kanilang enerhiya sa kanila sa panahon ng elastic na pakikipag-ugnayan.
    • Mga resonant na neutron. Pinangalanan ang mga ito dahil ang cross section para sa pakikipag-ugnayan ng ilang isotopes sa mga neutron ng mga energies na ito ay may binibigkas na mga iregularidad.
    • Mabilis na mga neutron. Ang mga neutron ng mga enerhiyang ito ay kadalasang ginagawa ng mga reaksyong nuklear.

    Mabilis at naantala na mga neutron

    Ang chain reaction ay isang napakabilis na proseso. Ang buhay ng isang henerasyon ng mga neutron (iyon ay, ang average na oras mula sa paglitaw ng isang libreng neutron hanggang sa pagsipsip nito ng susunod na atom at ang pagsilang ng susunod na mga libreng neutron) ay mas mababa kaysa sa isang microsecond. Ang ganitong mga neutron ay tinatawag na prompt. Sa isang chain reaction na may multiplication factor na 1.1, pagkatapos ng 6 μs ang bilang ng mga prompt neutron at ang enerhiya na inilabas ay tataas ng 10 26 beses. Imposibleng mapagkakatiwalaan na pamahalaan ang ganoong mabilis na proseso. Samakatuwid, ang mga naantalang neutron ay may malaking kahalagahan para sa isang kinokontrol na chain reaction. Ang mga naantalang neutron ay nagmumula sa kusang pagkabulok ng mga fragment ng fission na natitira pagkatapos ng mga pangunahing nuklear na reaksyon.

    Agham ng Materyales

    Isotopes

    Sa nakapaligid na kalikasan, ang mga tao ay karaniwang nakatagpo ng mga katangian ng mga sangkap na tinutukoy ng istraktura ng mga elektronikong shell ng mga atomo. Halimbawa, ito ay ang mga shell ng elektron na ganap na responsable para sa mga kemikal na katangian ng atom. Samakatuwid, bago ang panahon ng nuklear, hindi pinaghiwalay ng agham ang mga sangkap sa pamamagitan ng masa ng nucleus, ngunit sa pamamagitan lamang ng singil ng kuryente nito. Gayunpaman, sa pagdating ng teknolohiyang nuklear, naging malinaw na ang lahat ng mga kilalang simpleng elemento ng kemikal ay may maraming - minsan dose-dosenang - ng mga varieties na may iba't ibang bilang ng mga neutron sa nucleus at, nang naaayon, ganap na magkakaibang mga katangian ng nukleyar. Ang mga uri na ito ay tinawag na isotopes ng mga elemento ng kemikal. Karamihan sa mga natural na elemento ng kemikal ay mga pinaghalong iba't ibang isotopes.

    Ang karamihan sa mga kilalang isotopes ay hindi matatag at hindi nangyayari sa kalikasan. Ang mga ito ay nakuha sa artipisyal na paraan para sa pag-aaral o paggamit sa teknolohiyang nuklear. Ang paghihiwalay ng mga mixtures ng isotopes ng isang kemikal na elemento, ang artipisyal na produksyon ng isotopes, at ang pag-aaral ng mga katangian ng mga isotopes na ito ay ilan sa mga pangunahing gawain ng nuclear technology.

    Mga materyales sa fissile

    Ang ilang mga isotopes ay hindi matatag at nabubulok. Gayunpaman, ang pagkabulok ay hindi nangyayari kaagad pagkatapos ng synthesis ng isotope, ngunit pagkatapos ng ilang oras na katangian ng isotope na ito, na tinatawag na kalahating buhay. Mula sa pangalan ay malinaw na ito ang panahon kung saan ang kalahati ng umiiral na nuclei ng isang hindi matatag na isotope ay nabubulok.

    Ang mga hindi matatag na isotopes ay halos hindi na matatagpuan sa kalikasan, dahil kahit na ang pinakamahabang buhay ay nagawang ganap na mabulok sa bilyun-bilyong taon na lumipas mula noong ang synthesis ng mga sangkap sa paligid natin sa thermonuclear furnace ng isang matagal nang patay na bituin. Mayroon lamang tatlong mga pagbubukod: ito ay dalawang isotopes ng uranium (uranium-235 at uranium-238) at isang isotope ng thorium - thorium-232. Bilang karagdagan sa mga ito, sa kalikasan ang isa ay makakahanap ng mga bakas ng iba pang hindi matatag na isotopes na nabuo bilang isang resulta ng mga natural na reaksyong nuklear: ang pagkabulok ng tatlong mga pagbubukod na ito at ang epekto ng mga cosmic ray sa itaas na mga layer ng atmospera.

    Ang hindi matatag na isotopes ay ang batayan ng halos lahat ng mga teknolohiyang nuklear.

    Pagsuporta sa chain reaction

    Hiwalay, mayroong isang grupo ng mga hindi matatag na isotopes na napakahalaga para sa teknolohiyang nuklear at may kakayahang mapanatili ang isang nuclear chain reaction. Upang mapanatili ang isang chain reaction, ang isotope ay dapat na sumipsip ng mga neutron nang maayos, na sinusundan ng pagkabulok, na nagreresulta sa pagbuo ng ilang mga bagong libreng neutron. Ang sangkatauhan ay hindi kapani-paniwalang mapalad na kabilang sa mga hindi matatag na isotopes na napanatili sa kalikasan sa dami ng industriya ay mayroong isa na sumusuporta sa isang chain reaction: uranium-235.

    Mga materyales sa pagtatayo

    Kwento

    Pagbubukas

    Sa simula ng ikadalawampu siglo, si Rutherford ay gumawa ng malaking kontribusyon sa pag-aaral ng ionizing radiation at ang istraktura ng mga atomo. Sina Ernest Walton at John Cockroft ay nagawang hatiin ang nucleus ng isang atom sa unang pagkakataon.

    Mga programa ng sandatang nuklear

    Sa huling bahagi ng 30s ng ikadalawampu siglo, napagtanto ng mga physicist ang posibilidad na lumikha ng makapangyarihang mga armas batay sa isang nuclear chain reaction. Nagdulot ito ng mataas na interes ng pamahalaan sa teknolohiyang nuklear. Ang unang malakihang programa ng atomic ng estado ay lumitaw sa Germany noong 1939 (tingnan ang German nuclear program). Gayunpaman, ang digmaan ay kumplikado ang supply ng programa at pagkatapos ng pagkatalo ng Alemanya noong 1945, ang programa ay isinara nang walang makabuluhang resulta. Noong 1943, nagsimula ang isang malakihang programa na pinangalanang Manhattan Project sa Estados Unidos. Noong 1945, bilang bahagi ng programang ito, ang unang bombang nuklear sa mundo ay nilikha at nasubok. Ang pananaliksik sa nuklear sa USSR ay isinagawa mula noong 20s. Noong 1940, binuo ang unang teoretikal na disenyo ng Sobyet para sa isang bombang nuklear. Ang mga pag-unlad ng nuklear sa USSR ay inuri mula noong 1941. Ang unang bombang nuklear ng Sobyet ay sinubukan noong 1949.

    Ang pangunahing kontribusyon sa pagpapalabas ng enerhiya ng mga unang sandatang nuklear ay ginawa ng reaksyon ng fission. Gayunpaman, ang reaksyon ng pagsasanib ay ginamit bilang isang karagdagang mapagkukunan ng mga neutron upang madagdagan ang dami ng reacted fissile material. Noong 1952 sa USA at 1953 sa USSR, ang mga disenyo ay nasubok kung saan ang karamihan sa paglabas ng enerhiya ay nilikha ng reaksyon ng pagsasanib. Ang nasabing sandata ay tinatawag na thermonuclear. Sa thermonuclear ammunition, ang fission reaction ay nagsisilbing "mag-apoy" ng thermonuclear reaction nang hindi gumagawa ng malaking kontribusyon sa kabuuang enerhiya ng armas.

    Nuclear energy

    Ang mga unang nuclear reactor ay maaaring eksperimental o armas-grade, iyon ay, dinisenyo upang makabuo ng armas-grade plutonium mula sa uranium. Ang init na nilikha nila ay inilabas sa kapaligiran. Dahil sa mababang kapangyarihan sa pagpapatakbo at maliliit na pagkakaiba sa temperatura, naging mahirap ang epektibong paggamit ng mababang uri ng init upang patakbuhin ang mga tradisyunal na makina ng init. Noong 1951, ang init na ito ay ginamit sa unang pagkakataon para sa pagbuo ng kuryente: sa USA, isang steam turbine na may electric generator ang na-install sa cooling circuit ng isang eksperimentong reaktor. Noong 1954, ang unang nuclear power plant ay itinayo sa USSR, na orihinal na idinisenyo para sa mga layunin ng electric power.

    Mga teknolohiya

    Sandatang nuklear

    Maraming paraan para saktan ang mga tao gamit ang teknolohiyang nuklear. Ngunit ang mga estado ay nagpatibay lamang ng mga paputok na sandatang nuklear batay sa isang chain reaction. Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng naturang mga sandata ay simple: ito ay kinakailangan upang i-maximize ang neutron multiplication factor sa chain reaction, upang ang maraming nuclei hangga't maaari ay mag-react at maglabas ng enerhiya bago ang istraktura ng armas ay nawasak ng nabuong init. Upang gawin ito, kinakailangan upang madagdagan ang masa ng fissile substance o upang madagdagan ang density nito. Bukod dito, dapat itong gawin nang mabilis hangga't maaari, kung hindi man ang mabagal na pagtaas ng paglabas ng enerhiya ay matutunaw at sumingaw ang istraktura nang walang pagsabog. Alinsunod dito, ang dalawang diskarte sa pagbuo ng isang nuclear explosive device ay binuo:

    • Isang iskema na may pagtaas ng masa, ang tinatawag na iskema ng kanyon. Dalawang subcritical na piraso ng fissile material ang inilagay sa bariles ng artilerya na baril. Ang isang piraso ay naayos sa dulo ng bariles, ang isa ay kumilos bilang isang projectile. Pinagsama ng shot ang mga piraso, nagsimula ang isang chain reaction at isang paputok na pagpapalabas ng enerhiya ang naganap. Ang mga maaabot na bilis ng diskarte sa naturang pamamaraan ay limitado sa isang pares ng km/sec.
    • Isang scheme na may pagtaas ng density, ang tinatawag na implosive scheme. Batay sa mga kakaibang metalurhiya ng artipisyal na isotope ng plutonium. Ang plutonium ay may kakayahang bumuo ng mga matatag na allotropic modification na naiiba sa density. Ang isang shock wave na dumadaan sa volume ng metal ay may kakayahang mag-convert ng plutonium mula sa isang hindi matatag na low-density na pagbabago sa isang high-density. Ang tampok na ito ay naging posible upang ilipat ang plutonium mula sa isang low-density na subcritical na estado sa isang supercritical na estado na may bilis ng pagpapalaganap ng shock wave sa metal. Upang lumikha ng isang shock wave, gumamit sila ng mga conventional chemical explosives, inilalagay ang mga ito sa paligid ng plutonium assembly upang ang pagsabog ay piniga ang spherical assembly mula sa lahat ng panig.

    Ang parehong mga scheme ay nilikha at sinubukan halos sabay-sabay, ngunit ang implosion scheme ay naging mas mahusay at mas compact.

    Mga mapagkukunan ng neutron

    Ang isa pang limiter sa paglabas ng enerhiya ay ang rate ng pagtaas sa bilang ng mga neutron sa chain reaction. Sa subcritical fissile material, nangyayari ang kusang pagkawatak-watak ng mga atomo. Ang mga neutron mula sa mga pagkabulok na ito ay naging una sa isang mala-avalanche na chain reaction. Gayunpaman, para sa maximum na paglabas ng enerhiya, kapaki-pakinabang na alisin muna ang lahat ng mga neutron mula sa sangkap, pagkatapos ay ilipat ito sa isang supercritical na estado, at pagkatapos ay ipasok ang mga neutron ng pag-aapoy sa sangkap sa maximum na halaga. Upang makamit ito, ang isang fissile substance na may kaunting kontaminasyon ng mga libreng neutron mula sa kusang pagkabulok ay pinili, at sa sandali ng paglipat sa supercritical na estado, ang mga neutron ay idinagdag mula sa mga panlabas na pulsed neutron na mapagkukunan.

    Ang mga mapagkukunan ng karagdagang mga neutron ay batay sa iba't ibang mga pisikal na prinsipyo. Sa una, ang mga mapagkukunan ng paputok batay sa paghahalo ng dalawang sangkap ay naging laganap. Ang isang radioactive isotope, kadalasang polonium-210, ay hinaluan ng isang isotope ng beryllium. Ang alpha radiation mula sa polonium ay nagdulot ng nuclear reaction ng beryllium sa paglabas ng mga neutron. Kasunod nito, pinalitan sila ng mga mapagkukunan batay sa mga pinaliit na accelerators, sa mga target kung saan ang isang reaksyon ng pagsasanib ng nuklear na may isang ani ng neutron ay isinagawa.

    Bilang karagdagan sa mga mapagkukunan ng ignition neutron, naging kapaki-pakinabang na ipasok ang mga karagdagang mapagkukunan sa circuit na na-trigger ng simula ng isang chain reaction. Ang nasabing mga mapagkukunan ay itinayo batay sa mga reaksyon ng synthesis ng mga light elemento. Ang mga ampul na naglalaman ng mga sangkap tulad ng lithium-6 deuteride ay na-install sa isang lukab sa gitna ng plutonium nuclear assembly. Ang mga stream ng neutron at gamma ray mula sa nabubuong chain reaction ay nagpainit sa ampoule sa thermonuclear fusion na temperatura, at ang pagsabog ng plasma ay nag-compress sa ampoule, na tumutulong sa temperatura na may presyon. Nagsimula ang fusion reaction, na nagbibigay ng karagdagang mga neutron para sa fission chain reaction.

    Mga sandatang thermonuclear

    Ang mga mapagkukunan ng neutron batay sa reaksyon ng pagsasanib ay ang kanilang sarili na isang makabuluhang pinagmumulan ng init. Gayunpaman, ang laki ng lukab sa gitna ng pagpupulong ng plutonium ay hindi maaaring tumanggap ng maraming materyal para sa synthesis, at kung inilagay sa labas ng plutonium fissile core, hindi posible na makuha ang mga kondisyon ng temperatura at presyon na kinakailangan para sa synthesis. Kinakailangan na palibutan ang sangkap para sa synthesis ng isang karagdagang shell, na, sa pag-unawa sa enerhiya ng isang nuclear explosion, ay magbibigay ng shock compression. Gumawa sila ng isang malaking ampoule mula sa uranium-235 at inilagay ito sa tabi ng nuclear charge. Ang malalakas na neutron fluxes mula sa chain reaction ay magdudulot ng avalanche ng fission ng uranium atoms sa ampoule. Sa kabila ng subcritical na disenyo ng uranium ampoule, ang kabuuang epekto ng gamma rays at neutrons mula sa chain reaction ng pilot nuclear explosion at ang sariling fission ng ampoule nuclei ay lilikha ng mga kondisyon para sa pagsasanib sa loob ng ampoule. Ngayon ang laki ng ampoule na may sangkap para sa pagsasanib ay naging halos walang limitasyon at ang kontribusyon ng paglabas ng enerhiya mula sa nuclear fusion ay maraming beses na lumampas sa paglabas ng enerhiya ng pagsabog ng nukleyar na pag-aapoy. Ang gayong mga sandata ay nagsimulang tawaging thermonuclear.

    .
  • Batay sa isang kinokontrol na chain reaction ng fission ng heavy nuclei. Sa kasalukuyan, ito lamang ang teknolohiyang nuklear na nagbibigay ng matipid na pang-industriya na henerasyon ng kuryente sa mga plantang nukleyar.
  • Batay sa fusion reaction ng light nuclei. Sa kabila ng kilalang physics ng proseso, hindi pa posible na magtayo ng isang economically feasible power plant.

    • Nuclear power plant

    Ang puso ng isang nuclear power plant ay isang nuclear reactor - isang aparato kung saan isinasagawa ang isang kinokontrol na chain reaction ng fission ng heavy nuclei. Ang enerhiya ng mga reaksyong nuklear ay inilabas sa anyo ng kinetic energy ng mga fragment ng fission at na-convert sa init dahil sa nababanat na banggaan ng mga fragment na ito sa iba pang mga atomo.

    Ikot ng gasolina

    Isang natural na isotope lamang ang kilala na may kakayahang isang chain reaction - uranium-235. Ang mga reserbang pang-industriya nito ay maliit. Samakatuwid, ngayon ang mga inhinyero ay naghahanap na ng mga paraan upang makagawa ng murang artipisyal na isotopes na sumusuporta sa chain reaction. Ang pinaka-promising ay plutonium, na ginawa mula sa karaniwang isotope uranium-238 sa pamamagitan ng pagkuha ng isang neutron nang walang fission. Ito ay madaling makagawa sa parehong mga reaktor ng enerhiya bilang isang by-product. Sa ilalim ng ilang mga kundisyon, ang isang sitwasyon ay posible kapag ang produksyon ng artipisyal na fissile na materyal ay ganap na sumasaklaw sa mga pangangailangan ng mga umiiral na nuclear power plant. Sa kasong ito, nagsasalita sila ng isang closed fuel cycle, na hindi nangangailangan ng supply ng fissile material mula sa isang natural na mapagkukunan.

    Nuclear waste

    Ang ginastos na nuclear fuel (SNF) at reactor structural materials na may induced radioactivity ay makapangyarihang pinagmumulan ng mapanganib na ionizing radiation. Ang mga teknolohiya para sa pakikipagtulungan sa kanila ay masinsinang pinapabuti sa direksyon ng pagliit ng dami ng basurang natatapon at bawasan ang panahon ng panganib nito. Ang SNF ay isa ring pinagmumulan ng mahalagang radioactive isotopes para sa industriya at medisina. Ang SNF reprocessing ay isang kinakailangang hakbang sa pagsasara ng fuel cycle.

    Kaligtasan ng nuklear

    Gamitin sa medisina

    Sa medisina, ang iba't ibang hindi matatag na elemento ay karaniwang ginagamit para sa pananaliksik o therapy.

    Sick leave Buwis sa kita ng kumpanya

    Sick leave Buwis sa kita ng kumpanya

    2023-12-15 05:00:35

    Nanaginip ako na sumabog ang telepono

    Nanaginip ako na sumabog ang telepono

    2023-12-14 05:26:56

    Bakit nangangarap ang isang bayani? Interpretasyon ng Pangarap ni Loffa Hero

    Bakit nangangarap ang isang bayani? Interpretasyon ng Pangarap ni Loffa Hero

    2023-12-14 05:26:56

    Interpretasyon ng pangarap na toast sa mga libro ng pangarap

    Interpretasyon ng pangarap na toast sa mga libro ng pangarap

    2023-12-14 05:26:56



    error: Protektado ang nilalaman!!