fuzja termojądrowa, reakcja fuzji lekkich jąder atomowych w cięższe jądra, zachodząca w ultrawysokich temperaturach i której towarzyszy uwolnienie ogromnych ilości energii. Fuzja jądrowa jest reakcją odwrotną do rozszczepienia atomu: w tym drugim przypadku energia uwalniana jest w wyniku podziału ciężkich jąder na lżejsze. Zobacz także ROZDZIAŁ JĄDROWY; ENERGIA JĄDROWA.

Według współczesnych koncepcji astrofizycznych głównym źródłem energii Słońca i innych gwiazd jest termojądrowa synteza zachodząca w ich głębinach. W warunkach naziemnych przeprowadza się go podczas wybuchu bomby wodorowej. Fuzji termojądrowej towarzyszy kolosalne wyzwolenie energii na jednostkę masy reagujących substancji (około 10 milionów razy większe niż w reakcjach chemicznych). Dlatego bardzo interesujące jest opanowanie tego procesu i wykorzystanie go do stworzenia taniego i przyjaznego dla środowiska źródła energii. Jednak pomimo faktu, że badania kontrolowanej termo fuzja nuklearna(TCF) jest zajmowane przez duże zespoły naukowo-techniczne w wielu krajach rozwiniętych, wiele złożonych problemów nadal wymaga rozwiązania, zanim przemysłowa produkcja energii termojądrowej stanie się rzeczywistością.

Nowoczesne elektrownie jądrowe wykorzystujące proces rozszczepienia tylko częściowo zaspokajają światowe zapotrzebowanie na energię elektryczną. Paliwem dla nich są naturalne pierwiastki promieniotwórcze uran i tor, których obfitość i zasoby w przyrodzie są bardzo ograniczone; dlatego wiele krajów stoi przed problemem ich importu. Głównym składnikiem paliwa termojądrowego jest deuter, izotop wodoru, występujący w wodzie morskiej. Jego zasoby są ogólnodostępne i bardzo duże (oceanami świata zajmują ~71% powierzchni Ziemi, a deuter stanowi około 0,016% ogólnej liczby atomów wodoru tworzących wodę). Oprócz dostępności paliwa, źródła energii termojądrowej mają następujące istotne zalety w porównaniu z elektrowniami jądrowymi: 1) reaktor UTS zawiera znacznie mniej materiałów radioaktywnych niż reaktor jądrowy rozszczepienie, w związku z czym konsekwencje przypadkowego uwolnienia produktów radioaktywnych są mniej niebezpieczne; 2) reakcje termojądrowe powodują powstanie mniej długożyciowych odpadów radioaktywnych; 3) TCB umożliwia bezpośredni odbiór energii elektrycznej.

Artsimovich Los Angeles Kontrolowane reakcje termojądrowe. M., 1963
Termiczne i nuklearne elektrownie (księga 1, ust. 6; księga 3, ust. 8). M., 1989

Znajdź „Fuzja nuklearna” na

Innowacyjne projekty wykorzystujące nowoczesne nadprzewodniki już wkrótce pozwolą na realizację kontrolowanej syntezy termojądrowej, jak twierdzą niektórzy optymiści. Eksperci to jednak przewidują praktyczne zastosowanie zajmie kilka dekad.

Dlaczego to takie trudne?

Energia termojądrowa jest uważana za potencjalne źródło. Jest to czysta energia atomowa. Ale co to jest i dlaczego tak trudno to osiągnąć? Najpierw musisz zrozumieć różnicę między syntezą klasyczną a syntezą termojądrową.

Rozszczepienie atomu polega na rozszczepieniu radioaktywnych izotopów – uranu lub plutonu – i przekształceniu ich w inne wysoce radioaktywne izotopy, które następnie należy usunąć lub poddać recyklingowi.

Fuzja polega na tym, że dwa izotopy wodoru – deuter i tryt – łączą się w jedną całość, tworząc nietoksyczny hel i pojedynczy neutron, bez wytwarzania odpadów radioaktywnych.

Problem ze sterowaniem

Reakcje zachodzące na słońcu lub w bomba wodorowa, - to jest synteza termojądrowa i inżynierowie stają przed ogromnym zadaniem - jak kontrolować ten proces w elektrowni?

Naukowcy pracują nad tym od lat 60. XX wieku. W północnoniemieckim mieście Greifswald rozpoczął pracę kolejny eksperymentalny reaktor termojądrowy o nazwie Wendelstein 7-X. Nie ma jeszcze wywołać reakcji – jest to po prostu testowana specjalna konstrukcja (stellarator zamiast tokamaka).

Plazma wysokoenergetyczna

Wszystkie instalacje termojądrowe mają wspólną cechę - kształt pierścienia. Opiera się na idei wykorzystania potężnych elektromagnesów do wytworzenia silnego pole elektromagnetyczne, mający kształt torusa – napompowanej dętki rowerowej.

To pole elektromagnetyczne musi być tak gęste, że po podgrzaniu kuchenka mikrofalowa do miliona stopni Celsjusza, plazma powinna pojawić się w samym środku pierścienia. Następnie zostaje zapalony, aby mogła rozpocząć się fuzja jądrowa.

Demonstracja możliwości

W Europie trwają obecnie dwa podobne eksperymenty. Jednym z nich jest Wendelstein 7-X, który niedawno wygenerował swoją pierwszą plazmę helową. Drugi to ITER, ogromny eksperymentalny obiekt zajmujący się syntezą termojądrową na południu Francji, który jest wciąż w budowie i będzie gotowy do uruchomienia w 2023 r.

Zakłada się, że w ITER będą zachodzić rzeczywiste reakcje jądrowe, choć tylko przez krótki okres czasu i na pewno nie dłużej niż 60 minut. Reaktor ten to tylko jeden z wielu kroków w kierunku praktycznego wykorzystania syntezy jądrowej.

Reaktor termojądrowy: mniejszy i mocniejszy

Ostatnio kilku projektantów ogłosiło nowy projekt reaktora. Według grupy studentów z Massachusetts Institute of Technology, a także przedstawicieli producenta broni Lockheed Martin, syntezę jądrową można przeprowadzić w obiektach znacznie mocniejszych i mniejszych od ITER i są gotowi to zrobić w ciągu dziesięciu lat. lata.

Ideą nowej konstrukcji jest zastosowanie w elektromagnesach nowoczesnych nadprzewodników wysokotemperaturowych, które wykazują swoje właściwości po schłodzeniu ciekłym azotem, a nie konwencjonalnych, wymagających nowej, bardziej elastycznej technologii, która całkowicie zmieni konstrukcję elektromagnesu. reaktor.

Klaus Hesch, odpowiedzialny za technologię w Instytut Technologii Karlsruhe w południowo-zachodnich Niemczech jest sceptyczne. Wspiera wykorzystanie nowych nadprzewodników wysokotemperaturowych w nowych projektach reaktorów. Jednak jego zdaniem opracowanie czegoś na komputerze z uwzględnieniem praw fizyki nie wystarczy. Należy wziąć pod uwagę wyzwania, jakie pojawiają się przy wdrażaniu pomysłu.

Fantastyka naukowa

Według Hescha model studentów MIT pokazuje jedynie wykonalność projektu. Ale tak naprawdę jest w tym sporo fantastyka naukowa. Projekt zakłada rozwiązanie poważnych problemów technicznych syntezy jądrowej. Ale współczesna nauka nie ma pojęcia jak je rozwiązać.

Jednym z takich problemów jest pomysł składanych kołowrotków. W konstrukcji MIT elektromagnesy można rozmontować, aby dostać się do pierścienia utrzymującego plazmę.

Byłoby to bardzo przydatne, ponieważ byłby możliwy dostęp do obiektów w układ wewnętrzny i wymień je. Ale w rzeczywistości nadprzewodniki są wykonane z materiału ceramicznego. Setki z nich muszą być splecione w wyrafinowany sposób, aby utworzyć prawidłowe pole magnetyczne. I tu pojawia się bardziej zasadnicza trudność: połączenia między nimi nie są tak proste, jak połączenia między kablami miedzianymi. Nikt nawet nie pomyślał o koncepcjach, które pomogłyby rozwiązać takie problemy.

Za gorąco

Problemem jest także wysoka temperatura. W jądrze plazmy termojądrowej temperatura osiągnie około 150 milionów stopni Celsjusza. To ekstremalne ciepło pozostaje na miejscu – w samym środku zjonizowanego gazu. Ale nawet wokół niego nadal jest bardzo gorąco – od 500 do 700 stopni w strefie reaktora, czyli wewnętrznej warstwie metalowej rurki, w której „odtwarzany” będzie tryt niezbędny do zajścia syntezy jądrowej.

Ma jeszcze większy problem – tzw. moc wyjściową. Jest to część układu, do której w procesie syntezy trafia zużyte paliwo, głównie hel. Pierwsze metalowe elementy, do których wchodzi gorący gaz, nazywane są „diwertorem”. Może nagrzać się do ponad 2000°C.

Problem z przełącznikiem

Aby pomóc urządzeniu wytrzymać takie temperatury, inżynierowie próbują wykorzystać metaliczny wolfram stosowany w staromodnych żarówkach. Temperatura topnienia wolframu wynosi około 3000 stopni. Ale są inne ograniczenia.

Można to zrobić w ITER, ponieważ ogrzewanie nie następuje stale. Oczekuje się, że reaktor będzie działał tylko przez 1–3% czasu. Nie jest to jednak opcja dla elektrowni, która musi pracować 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu. A jeśli ktoś twierdzi, że jest w stanie zbudować mniejszy reaktor o tej samej mocy co ITER, to śmiało można powiedzieć, że nie ma rozwiązania problemu dywertora.

Elektrownia po kilkudziesięciu latach

Niemniej jednak naukowcy optymistycznie patrzą na rozwój reaktorów termojądrowych, choć nie nastąpi on tak szybko, jak przewidują niektórzy entuzjaści.

ITER powinien wykazać, że kontrolowana synteza termojądrowa może w rzeczywistości wytworzyć więcej energii, niż zużyto by na ogrzewanie plazmy. Kolejnym krokiem będzie budowa zupełnie nowej hybrydowej elektrowni demonstracyjnej, która faktycznie będzie produkować prąd.

Inżynierowie już pracują nad jego projektem. Będą musieli wyciągnąć wnioski z ITER, którego uruchomienie zaplanowano na 2023 r. Biorąc pod uwagę czas potrzebny na projektowanie, planowanie i budowę, wydaje się mało prawdopodobne, aby pierwsza elektrownia termojądrowa została uruchomiona znacznie wcześniej niż w połowie XXI wieku.

Zimna Fuzja w Rosji

W 2014 roku niezależny test reaktora E-Cat wykazał, że urządzenie wytwarzało średnio 2800 watów mocy wyjściowej w ciągu 32 dni, zużywając 900 watów. To więcej, niż ktokolwiek może przeznaczyć reakcja chemiczna. Wynik mówi albo o przełomie w syntezie termojądrowej, albo o jawnym oszustwie. Raport rozczarował sceptyków, którzy kwestionują rzeczywiście niezależność recenzji i sugerują możliwe fałszowanie wyników badań. Inni zaczęli odkrywać „tajne składniki”, które umożliwiają fuzję Rossiego w celu odtworzenia technologii.

Czy Rossi to oszust?

Andrea robi wrażenie. Publikuje światu proklamacje w unikalnym języku angielskim w sekcji komentarzy na swojej stronie internetowej, pretensjonalnie zwanej Journal of Nuclear Physics. Jednak jego poprzednie nieudane próby obejmowały włoski projekt przetwarzania odpadów na paliwo i generator termoelektryczny. Projekt dotyczący przetwarzania odpadów w energię Petroldragon poniósł porażkę częściowo dlatego, że nielegalne składowanie odpadów jest kontrolowane przez włoską przestępczość zorganizowaną, która postawiła jej zarzuty karne za naruszenie przepisów dotyczących odpadów. Stworzył także urządzenie termoelektryczne dla Korpusu Inżynierów siły lądowe USA, ale podczas testów gadżet wygenerował tylko część deklarowanej mocy.

Wielu nie ufa Rossiemu, a redaktor naczelny „New Energy Times” wprost nazwał go kryminalistą mającym za sobą serię nieudanych projektów energetycznych.

Niezależna weryfikacja

Rossi podpisał kontrakt z Amerykańska firma Industrial Heat przeprowadzi całoroczny tajny test elektrowni termojądrowej o mocy 1 MW. Urządzeniem był kontener transportowy wypełniony dziesiątkami kotów elektrycznych. Eksperyment musiał być monitorowany przez osobę trzecią, która mogła potwierdzić, że rzeczywiście wytwarzało się ciepło. Rossi twierdzi, że większość ostatniego roku spędził praktycznie mieszkając w kontenerze i obserwując operacje przez ponad 16 godzin dziennie, aby udowodnić opłacalność komercyjną E-Cata.

Test zakończył się w marcu. Zwolennicy Rossiego z niecierpliwością czekali na raport obserwatorów, mając nadzieję na uniewinnienie swojego bohatera. Skończyło się jednak na tym, że dostali pozew.

Test

W swoim pozwie do sądu na Florydzie Rossi twierdzi, że test zakończył się sukcesem, a niezależny arbiter potwierdził, że reaktor E-Cat wytwarza sześciokrotnie więcej energii niż zużywa. Twierdził również, że Industrial Heat zgodził się zapłacić mu 100 mln USD – 11,5 mln USD z góry po 24-godzinnym okresie próbnym (rzekomo za prawa licencyjne, aby firma mogła sprzedawać technologię w USA) i kolejne 89 mln USD po pomyślnym zakończeniu przedłużony okres próbny w ciągu 350 dni. Rossi oskarżył IH o prowadzenie „oszukańczego programu” mającego na celu kradzież jego własności intelektualnej. Oskarżył także firmę o sprzeniewierzenie reaktorów E-Cat, nielegalne kopiowanie innowacyjnych technologii i produktów, funkcji i projektów oraz niewłaściwe próby uzyskania patentu na jego własność intelektualną.

kopalnia złota

W innym miejscu Rossi twierdzi, że podczas jednej ze swoich demonstracji IH otrzymał 50–60 mln dolarów od inwestorów i kolejne 200 mln dolarów od Chin po odtworzeniu scen z chińskimi urzędnikami najwyższy poziom. Jeśli to prawda, stawką jest znacznie więcej niż sto milionów dolarów. Industrial Heat odrzucił te twierdzenia jako bezpodstawne i zamierza się energicznie bronić. Co ważniejsze, twierdzi, że „pracowała ponad trzy lata, aby potwierdzić wyniki, które Rossi rzekomo osiągnął dzięki swojej technologii E-Cat, ale bez powodzenia”.

IH nie wierzy, że E-Cat zadziała, a New Energy Times nie widzi powodu, aby w to wątpić. W czerwcu 2011 r. przedstawiciel wydawnictwa odwiedził Włochy, przeprowadził wywiad z Rossim i sfilmował demonstrację jego E-Cata. Dzień później zgłosił poważne wątpliwości dotyczące sposobu pomiaru mocy cieplnej. Sześć dni później dziennikarz zamieścił swoje wideo na YouTube. Eksperci z całego świata przesłali mu testy, które ukazały się w lipcu. Stało się jasne, że było to oszustwo.

Eksperymentalne potwierdzenie

Niemniej jednak wielu badaczy - Alexander Parkhomov z Uniwersytet Rosyjski Przyjaźni Narodów i Projekt Pamięci Martina Fleischmanna (MFPM) – udało się odtworzyć zimną syntezę termojądrową w Rosji. Raport MFPM nosił tytuł „Koniec ery węglowej jest bliski”. Powodem tego podziwu było odkrycie, którego nie da się wytłumaczyć inaczej niż reakcją termojądrową. Według badaczy Rossi ma dokładnie to, co mówi.

Realna, otwarta recepta na zimną fuzję jest w stanie wywołać energetyczny „ gorączka złota" Można znaleźć alternatywne metody obejścia patentów Rossiego i utrzymania go z dala od wielomiliardowego biznesu energetycznego.

Być może więc Rossi wolałby uniknąć tego potwierdzenia.

Strona 1

Reakcje syntezy jądrowej nazywane są termojądrowymi, ponieważ jedyny sposób wzbudzenie reakcji - ogrzewanie paliwa jądrowego do wysokiej temperatury.

Reakcja syntezy jądrowej może również służyć jako źródło energii.

Reakcje syntezy jądrowej wymagają niezwykle wysokie temperatury i ciśnienie.

Wodór-3 najłatwiej wchodzi w reakcję syntezy jądrowej, jednak w atmosferze ziemskiej występuje w tak małych ilościach, a jego produkcja wiąże się z bardzo wysokimi kosztami, że sama możliwość jego wykorzystania jako paliwa stoi pod znakiem zapytania.

Reakcję tę nazywa się reakcją syntezy jądrowej, ponieważ w wyniku połączenia jąder powstaje cięższe jądro.

Aby rozpoczęła się reakcja syntezy jądrowej, konieczne jest osiągnięcie temperatury około miliona stopni. Ponieważ jedynym obecnie znanym sposobem osiągnięcia takich temperatur są reakcje rozszczepienia jądrowego, do wzbudzenia reakcji wykorzystuje się syntezę wodoru. bomba atomowa, w oparciu o reakcję rozszczepienia. Zakłada się, że energia uwalniana przez gwiazdy, w tym nasze Słońce, powstaje w wyniku reakcji syntezy jądrowej podobnych do reakcji wspomnianych powyżej. W zależności od wieku i temperatury gwiazdy, w reakcjach takich mogą brać udział jądra węgla, tlenu i azotu, a także izotopy wodoru i helu.

Głównym problemem związanym z reakcją syntezy jądrowej jest opracowanie technologii zdolnej do utrzymywania gazu naładowanych cząstek, plazmy, w temperaturach rzędu wielu milionów stopni przez dość długi czas, w celu uwolnienia wymaganej ilości energii podczas gdy plazma jest w stanie izolowanym. Znane są dwie metody sterowania tym procesem: metoda pól magnetycznych oraz metoda wiązania ciężkich atomów wodoru za pomocą silnych laserów. Ta metoda jest najbardziej łatwy sposób wdrożenie syntezy jądrowej z udziałem deuteru i trytu, która zachodzi w plazmie utrzymywanej przez pola magnetyczne w temperaturze ponad 100 milionów C. Końcowymi produktami reakcji syntezy są jony helu (He-4) i neutrony. Około 80% energii uwolnionej w wyniku syntezy pochodzi z neutronów. Systemy wymiany i konwersji ciepła, które są kolejnym krokiem, są podobne do tych stosowanych w reaktory jądrowe dział.

Nauka wytwarzania użytecznej energii w wyniku reakcji syntezy jądrowej jest ważna przede wszystkim dlatego, że synteza termojądrowa jest praktycznie niewyczerpanym źródłem energii. Koszt paliwa termojądrowego jest niewielki w porównaniu z kosztem paliw kopalnych; jest dostępny wszędzie, a proces jego pozyskiwania ma niewielki wpływ na środowisko. Co więcej, chociaż energia termojądrowa jest również rodzajem energii atomowej, różni się ona znacznie od zwykłej energii atomowej, która jest uwalniana podczas rozszczepienia uranu, plutonu i toru. W porównaniu z reaktorami rozszczepialnymi i zagrożeniami, jakie stwarzają, reaktor termojądrowy wydaje się znacznie mniej niebezpieczny.

Szybkość uwalniania energii w wyniku wszystkich reakcji syntezy jądrowej zachodzących co sekundę jest zaskakująco mała, jeśli wyrażona jest w kaloriach na gram materii. Będzie to ponad 100 razy mniej niż tempo, w jakim organizm ludzki uwalnia ciepło w ciągu jednej sekundy podczas swojego metabolizmu. Oczywiście całkowitej ilości ciepła wytworzonego przez Słońce nie można porównywać z ciepłem naszego ciała ze względu na niezwykle dużą wartość całkowitej masy Słońca. Nasuwa się jednak pytanie, jak Słońce może być tak gorące, skoro tempo wydzielania ciepła na gram masy jest 100 razy mniejsze niż w naszym ciele.

Powszechnie przyjmuje się, że wytwarzanie energii za pomocą reakcji syntezy jądrowej powinno powodować mniejsze zanieczyszczenie środowiska niż wykorzystanie reakcji rozszczepienia jądrowego. Należy jednak wziąć pod uwagę, że materiały konstrukcyjne wewnętrznych części reaktora termojądrowego muszą stać się bardzo radioaktywne i często będą wymagały wymiany. Jaka jest przyczyna tych powikłań?

Obfitość pierwiastka związana jest ze stabilnością jego jądra i przebiegiem reakcji syntezy jądrowej pierwiastków. Zgodnie z tym istnieją przybliżone zasady określające występowanie pierwiastka. Zaobserwowano, że pierwiastki o małych masach atomowych występują częściej niż pierwiastki ciężkie. Ponadto masy atomowe najpowszechniejszych pierwiastków wyrażane są w wielokrotnościach czterech; Elementy o parzystych liczbach porządkowych są kilka razy częstsze niż sąsiadujące z nimi elementy o liczbach nieparzystych.

Naprawdę ogromne perspektywy rozwoju energetycznych podstaw produkcji obiecują społeczeństwu opanowanie kontrolowanej reakcji syntezy jądrowej. Rozwiązanie problemu kontrolowania reakcji termojądrowych znajduje się w programie nauki radzieckiej. Do jego zadań należy odkrywanie sposobów bezpośredniego przekształcania energii cieplnej, jądrowej, słonecznej i chemicznej w energię elektryczną.

Jeśli protonom uda się zbliżyć do odległości z r0, następuje reakcja syntezy jądrowej, nukleony tworzą związany układ - jądro atomu deuteru. Stan związany odpowiada modelowi cząstki w studni potencjału. Ale takiej zbieżności cząstek zapobiega bariera potencjału. Aby określić możliwość reakcji, konieczne jest rozwiązanie problemu przejścia cząstek przez barierę przy różnych energiach.

Lit jest źródłem ciężkiego izotopu wodoru, trytu, który wykorzystuje się w reakcjach syntezy jądrowej.

Ryż. 25. Położenie procesu rp względem linii stabilności β.

Procesem czasami powiązanym z procesem p jest proces rp – szybki proces wychwytywania protonów. W procesie tym powstają jądra wzbogacone w protony o Z = 7-26. Obejmuje serię rozpadów (p, γ) i β + - charakterystycznych dla jąder wzbogaconych w p. Proces rozpoczyna się jako „opad” z cyklu CNO. Jest to łańcuch boczny pierścienia CNO, tworzący jądra bogate w p, takie jak 21 Na

i 19 Ne. Jądra te stanowią podstawę do dalszego wychwytywania

neutronów, co prowadzi do szlaku nukleosyntezy pokazanego na ryc. 25. Proces rp tworzy niewielką liczbę rdzeni SA<100. Процесс следует по пути, аналогичному r -процессу, но на протон-обогащённой стороне стабильности. В настоящее время источником протонов

W tym procesie istnieje kilka gwiazd podwójnych. Należy zauważyć, że proces ten czasami przebiega blisko linii stabilności β, zbliżając się do linii protonów, gdy jądro staje się cięższe.

6. PROBLEM NEUTRI SŁONECZNYCH

Wielu reakcjom jądrowym dostarczającym gwiazdom energii towarzyszy emisja neutrin. Ze względu na mały przekrój poprzeczny absorpcji neutrin przez materię (σ 10-44 cm2) praktycznie nie są one absorbowane przez Słońce i inne gwiazdy. (Te straty neutrin odpowiadają utracie 2% energii Słońca). Dlatego neutrino jest oknem na gwiazdę. Jednocześnie mały przekrój absorpcji utrudnia rejestrację neutrin, ponieważ prawie wszystkie neutrina przechodzą przez planetę Ziemię bez absorpcji.

Dlatego istnieje problem neutrin słonecznych. Tabela 4. Przewidywane strumienie neutrin słonecznych.

Źródło	Przepływ (częstotliwość/s/cm2)
	5,94x1010
	1,40x108
	7,88x103
	4,86x107
	5,82x106
	5,71x108
	5,03x108
	5,91x106

6.1 Oczekiwane źródła, energie i strumienie neutrin słonecznych

W Ze względu na bliskość naszej planety, Słońce jest głównym źródłem neutrin docierających do Ziemi.

Słońce emituje 1,8x1038 neutrin/s, które po 8 minutach docierają do powierzchni Ziemi z gęstością strumienia 6,4x1010 neutrin/s/cm2. Przewidywania standardowego modelu Słońca dla strumieni neutrin na powierzchni Ziemi dla różnych reakcji jądrowych przedstawiono w tabeli. 4, a dla rozdziału energii – na rys. 26. Każda reakcja jądrowa ma

charakterystyczny rozkład energii.

Ryż. 25. Przewidywanie strumieni neutrin z różnych reakcji jądrowych na Słońcu. U góry pokazano obszary energii, w których detektory są wrażliwe na neutrina.

13N → 13C+ β ++ ν e 15O → 15N+ β ++ ν e 17F → 17O+ β ++ ν e

Źródło oznaczone „pp” znajduje się w tabeli. 4 i rys. 26 odzwierciedla reakcję

p+p → d+e+ +ν e (65)

i jest główną reakcją, w wyniku której powstaje jedno neutrino na każde zsyntetyzowane jądro 4He. „rep” – źródłem jest reakcja

p+p+e- → d+ν e , (66)

która wytwarza neutrina monoenergetyczne, natomiast „hep” oznacza reakcję: p+3 He → 4 He+e+ +ν e (67)

Ta ostatnia reakcja wytwarza neutrina o najwyższej energii o maksymalnej energii 18,77 MeV (ze względu na wysoką wartość Q reakcji). Natężenie tego źródła jest 107 razy mniejsze niż źródła pp. Źródło „7 Be” oznacza łańcuch reakcji rozpadu pp poprzez wychwyt elektronów

w którym zapełniony jest pierwszy stan wzbudzony 8 Be (przy 3,04 MeV). Słabe źródła „13 N”, „15 O” i „17 F” wskazują na rozpady β+ zachodzące w cyklu CNO:

6.2 Wykrywanie neutrin

Jak już wspomniano, detekcja słabo oddziałujących neutrin jest utrudniona ze względu na małą wartość przekroju oddziaływania. Aby pokonać tę przeszkodę, zaproponowano dwa typy detektorów: detektory radiochemiczne i detektory Czerenkowa. Detektory radiochemiczne wykrywają produkty reakcji wywołanych neutrinami, natomiast detektory Czerenkowa obserwują rozpraszanie neutrin. I tak w jaskini w Południowej Dakocie, 1500 m pod powierzchnią ziemi, umieszczony jest masywny detektor radiochemiczny, zawierający 100 000 galonów oczyszczonej cieczy C2Cl4. Oczyszczona ciecz ważyła 610 ton (objętość 10 cystern kolejowych). W detektorze zachodzi następująca reakcja:

ν e +37 Cl → 37 Ar+e-

Produkt reakcji 37 Ar rozpada się poprzez wychwyt elektronów w czasie T=35 dni. Po oczyszczeniu ciecz poddawana jest przez pewien czas działaniu neutrin słonecznych, powstałe 37 Ar jest wypłukiwane z detektora przez strumień gazowego helu i trafia do licznika proporcjonalnego, który wykrywa 2,8 elektronów Augera powstałych podczas wychwytu elektronów. Wykryta reakcja ma próg 0,813 MeV, tj. Detektor jest czuły na neutrina 8 V, hep, pep i 7 Be (rozpad stanu podstawowego). Najważniejsza jest tutaj rejestracja 8 V. Zwykle w ciągu tygodnia powstają 3 atomy 37 Ar i trzeba je odizolować od 1010 atomów cieczy. Detektor umieszczony jest głęboko pod ziemią i chroniony przed promieniowaniem kosmicznym.

Inne detektory działają w oparciu o reakcję
ν e +71 Ga → 71 Ge+e-

Detektory te mają próg 0,232 MeV i mogą być stosowane do bezpośredniej detekcji dominujących neutrin słonecznych pp. Gal występuje w postaci roztworu GaCl3.71 Ge zbiera się przez przepłukanie detektora azotem i konwersję Ge do GeH4 przed zliczeniem. Detektory te zużywają 30–100 ton galu i zużywają znaczną część rocznej produkcji galu.

Detektory Czerenkowa działają w oparciu o efekt rozpraszania neutrin przez naładowane cząstki. Po zderzeniu z neutrinem wyrzucony elektron emituje promieniowanie Czerenkowa, które można wykryć za pomocą detektorów scyntylacyjnych. Pierwszy z tych detektorów stanął w kopalni Kamioka w Japonii. Super Kamioka zawierała 50 000 ton bardzo czystej wody. Wykrywaną reakcją jest w tym przypadku reakcja rozproszenia ν +e- →ν +e- , a próg detekcji wynosi 8 MeV, co pozwala na wykrycie neutrin o napięciu 8 V.

Ryż. 27. Porównanie przewidywań standardowych modeli Słońca z pomiarami eksperymentalnymi.

Kanadyjski detektor SNO został zainstalowany w kopalni niklu na głębokości 2 km i zawierał 1000 ton ciężkiej wody (D2 O). Oprócz rozpraszania neutrin elektronów, detektor ten może wykorzystywać reakcje jądrowe na deuterze:

ν e+d → 2p+e- (72)ν +d → n+p+ν (73)

Tę ostatnią reakcję można zastosować do wykrywania wszystkich typów neutrin ν e , ν μ i ν τ , natomiast pierwsza reakcja jest wrażliwa tylko na neutrina elektronowe. Zestaw reakcji zachodzących w detektorze można wykorzystać do obserwacji oscylacji neutrin. W tej ostatniej reakcji wyemitowany neutron jest wykrywany poprzez reakcję (n, γ), w której promienie γ są wykrywane przez detektor scyntylacyjny (detektor ciężkiej wody jest otoczony 7000 ton zwykłej wody, aby chronić detektor przed neutronami związanymi z radioaktywność w ścianach kopalni). Kanadyjski detektor wymagał opracowania nowych metod głębokiego oczyszczania wody, ponieważ... czystość wody wymagała zawartości uranu lub toru mniejszej niż 10 atomów na 1015 cząsteczek wody.

6.3 Problem neutrin słonecznych

Problem neutrin słonecznych wynikał z faktu, że detektory wykryły zaledwie 1/3 tego, czego oczekiwał standardowy model neutrin słonecznych, który zakłada, że 98,5% energii Słońca pochodzi z łańcucha pp, a 1,5% z cyklu CNO.

Ryż. 28. Widma energii galaktycznych promieni kosmicznych, GCR.

Ta rozbieżność wskazuje, że albo model Słońca jest błędny, albo istnieją fundamentalne błędy w zastosowanej fizyce jądrowej.

Problem z neutrinem słonecznym polega na błędnych wyobrażeniach na temat podstawowej struktury materii, jakie daje model standardowy. Model standardowy przewiduje, że te trzy typy neutrin nie mają masy i że raz utworzone będą istnieć w niezmienionej formie przez resztę czasu. Główną ideą modelu alternatywnego, modelu oscylacji neutrin, jest to, że gdy neutrina wyłaniają się ze Słońca, przekształcają się z neutrin elektronowych w neutrina mionowe i odwrotnie. Te oscylacje

jest to możliwe, jeśli neutrina mają masę, a masa ta jest inna dla neutrin elektronowych i mionowych. Oscylacje te są wzmacniane przez interakcje neutron-elektron w Słońcu. Uważa się, że

masa τneutrina > masa μ neutrina > masa neutrina elektronowego. Górna granica tych mas

Ryż. 29. Względna (według krzemu) obfitość pierwiastków w układ słoneczny i w promieniach kosmicznych.

Oscylacje neutrin - przemiana neutrina (elektronu, mionu lub taonu) w neutrino innego typu (generacji) lub w antyneutrino. Teoria przewiduje istnienie prawa okresowej zmiany prawdopodobieństwa wykrycia cząstki określonego typu w zależności od odpowiedniego czasu, jaki upłynął od powstania cząstki. Obecność oscylacji neutrin jest ważna dla rozwiązania problemu neutrin słonecznych. Zakłada się, że takie przekształcenia są konsekwencją obecności masy spoczynkowej neutrina lub (w przypadku przemian neutrina↔antyneutrina) braku zachowania ładunku leptonu przy wysokich energiach. Model Standardowy w swojej pierwotnej wersji nie opisuje mas neutrin i ich oscylacji, ale można je włączyć do tej teorii za pomocą stosunkowo niewielkiej modyfikacji - włączenia członu masowego i macierzy mieszania neutrin PMNS do ogólnego Lagrangianu.

Bezpośrednie dowody na oscylacje neutrin pochodzą z obserwacji blasku Czerenkowa. Detektor SNO wykrył jedną trzecią oczekiwanej liczby neutrin elektronowych pochodzących ze Słońca, co jest zgodne z wcześniejszymi danymi uzyskanymi przez detektory radiochemiczne. Japoński detektor czuły przede wszystkim na neutrina elektronowe, ale ma

wrażliwość na inne typy neutrin, odkrył połowę oczekiwanego strumienia neutrin

Po raz pierwszy podczas kontrolowanej reakcji syntezy termojądrowej naukowcy uzyskali o 1% więcej energii, niż zużyto na jej zainicjowanie.

To ważne osiągnięcie na drodze do opanowania technologii, która rozwiąże problemy energetyczne ludzkości.

Korzystając z zestawu najpotężniejszych laserów NIF (National Ignition Facility) w amerykańskim laboratorium Livermore National Laboratory, naukowcy po raz pierwszy uzyskali nieco więcej energii z kontrolowanej reakcji syntezy termojądrowej, niż pochłonęło paliwo. Naukowcy twierdzą, że jest to ważny, symboliczny kamień milowy, który umacnia wiarę w to, że ludzkość będzie w stanie opanować praktycznie niewyczerpane źródło energii. Oczywiście ostateczny cel jest wciąż odległy: zapłon i utrzymanie stabilnej reakcji, która wytwarza ogromna ilość

energia nadal pozostaje odległą perspektywą. Jednakże Mark Herrmann, kierownik projektu zajmującego się badaniem wysokoenergetycznych impulsów rentgenowskich w Sandia National Laboratory, zauważył, że jest to ważny krok w kierunku zapoczątkowania produktywnej reakcji. Kontrolowanie reakcji termojądrowej okazało się niezwykle trudne. Problem w tym, że konieczne jest sterowanie niezwykle złożonym płynem roboczym: plazmą nagrzaną do temperatur milionów stopni. Naukowcy z badania różne sposoby utrzymanie ciepła reakcja nuklearna na przykład pilotażowa instalacja ITER budowana na południu Francji będzie zawierać plazmę za pomocą pól magnetycznych wewnątrz reaktora w kształcie toroidu.

W normalnej reakcji jądrowej energia jest uwalniana w wyniku rozpadu bardzo ciężkich jąder atomowych, takich jak uran. W syntezie termojądrowej energia wytwarzana jest w wyniku syntezy lekkich jąder, takich jak wodór. Podczas takiej reakcji niewielki ułamek masy poszczególnych jąder atomowych wodoru zamienia się w energię. To synteza termojądrowa zasila gwiazdy, w tym nasze Słońce.

Cel z hohlraum, gotowy do ostrzału z laserów

Aby zapalić reakcję termojądrową, należy przyłożyć znaczną ilość energii, aby pokonać siłę odpychania elektrostatycznego jąder atomowych i zbliżyć je do siebie. W NIF energia ta jest dostarczana przez 192 lasery o dużej mocy, które napromieniają złoty cylindryczny pojemnik na paliwo wielkości ziarnka grochu. Pojemnik ten, zwany hohlraum, zawiera ziarno paliwa: cienką warstwę deuteru i trytu. Hohlraum pochłania energię lasera i ponownie emituje ją w postaci promieni rentgenowskich, z których część jest pochłaniana przez kapsułę z paliwem. Kiedy to nastąpi, zewnętrzna plastikowa obudowa hohlraum eksploduje, a siła eksplozji ściska lekkie jądra atomowe do tego stopnia, że wystarczy do wywołania syntezy termojądrowej.

Geometria hohlraum z kapsułą w środku. To model ogniwa paliwowego dla przyszłych reaktorów termojądrowych

Niestety, do tej pory większość energii lasera była pochłaniana przez hohlraum, a nie przez plastikową osłonę, co skutkowało nierównym i mniej intensywnym parowaniem. W rezultacie hohlraum pochłonął zbyt dużo energii – znacznie więcej niż reakcja termojądrowa powstająca na wyjściu.

Aby rozwiązać ten problem, naukowcy przekonfigurowali laser tak, aby dostarczał więcej energii na początku impulsu. Prowadzi to do intensywniejszego nagrzewania się hohlraum i „pęcznienia” plastikowej skorupy. W rezultacie plastikowa powłoka staje się mniej podatna na nierównomierne parowanie i w mniejszym stopniu zakłóca przepływ syntezy termojądrowej.

W rezultacie badaczom udało się uzyskać dodatnią wydajność energetyczną na poziomie 1,2-1,9 wydatkowanej energii, przy czym większość wytworzonej energii została uzyskana podczas samonagrzewania paliwa przez promieniowanie, co jest ważny warunek utrzymanie stabilnej kontrolowanej reakcji syntezy. Wcześniej żadne laboratorium nie było w stanie osiągnąć takiego wyniku. Pomimo tego, że wytworzona energia dodatnia była tylko o 1% większa od energii wydanej na zapłon syntezy, jest to duży sukces.

Co to za rodzaj „hohlraum”?

Fuzja laserowa złotego hohlraum

Narodowy Kompleks Laserowych Reakcji Termojądrowych (Krajowy zakład zapłonowy, NIF) w Stanach Zjednoczonych nazywa się to laserowym reaktorem termojądrowym podwójnego zastosowania. Ma pomóc armii USA w utrzymaniu arsenału nuklearnego w stanie gotowości bojowej w warunkach moratorium na próby nuklearne, a także oferuje przełomowe odkrycia, które mogłyby zapewnić cywilizacji morze czystej i taniej energii.

Jeśli wierzyć prasie, w NIF wszystko idzie bardzo dobrze. Ale audytorzy Generalnego Biura Rachunkowego USA (GAO, odpowiednik Rosyjskiej Izby Obrachunkowej) istnieją co do tego wątpliwości, którymi podzielili się z Kongresem w raporcie nr GAO-10-488.

NIF, NIC i NNSA

W marcu 2009 roku amerykańska Narodowa Administracja Bezpieczeństwa Jądrowego (NNSA) zakończyła budowę NIF – projektu o wartości 3,5 miliarda dolarów w Lawrence Livermore National Laboratory. Szacunki obejmują 2,2 miliarda dolarów wydane na samą budowę i 1,3 miliarda dolarów wydane na montaż i instalację 192 laserów i powiązanego sprzętu.

Kierownictwo planuje wytworzyć w NIF wyjątkowo wysokie ciśnienia i temperatury, charakterystyczne dla eksplozje nuklearne. Jeśli wszystko pójdzie dobrze, nowa instalacja umożliwi Amerykanom badanie właściwości nuklearnych urządzeń wybuchowych bez ich testowania, czego zabraniają warunki moratorium przyjętego w Stanach Zjednoczonych w 1992 roku.

NNSA słusznie nazywa fuzję laserową „krytycznym elementem” zakrojonego na szeroką skalę programu utrzymania gotowości bojowej amerykańskiego arsenału nuklearnego. Misje wojskowe będą najważniejszym priorytetem NIF, ale departament wojskowy jest gotowy udostępnić obiekt także badaczom cywilnym.

Laboratorium Narodowe Lawrence Livermore jest bezpośrednio odpowiedzialne za projektowanie i budowę NIF. Pierwszy badania teoretyczne, mające na celu przygotowanie do powstania NIF, datowane są na marzec 1997 r. W 2005 roku NNSA, zgodnie z dyrektywami Kongresu, utworzyła NIC (Krajowa kampania zapłonowa) i przydzielił ją do nadzorowania kwestii związanych z zarządzaniem projektem. Ponadto niezależni eksperci i grupy ekspertów zapraszani są do zewnętrznego monitorowania projektu.

Lasery i hohlraum

Technologię stosowaną w NIF można nazwać „fuzją laserową”. W literaturze amerykańskiej przypisano mu termin „zapłon”. Gdy wszystko będzie już gotowe, operatorzy NIF muszą jednocześnie skoncentrować wiązki 192 laserów na celach mniejszych niż moneta 10-centowa. Całkowita energia wiązek wyniesie 1,8 MJ.

W jednym cyklu operacyjnym trwającym około jednej milionowej sekundy wiązki muszą przejść przez szereg powielaczy optycznych, a następnie zostać skupione na mikroskopijnym celu. Ta ostatnia będzie zlokalizowana w kulistej komorze o wysokości 10 metrów.

Schemat instalacji NIF - rysunek audytorów GAO.

Sam cel jest z kolei pustym w środku złotym cylindrem. Wzywają go Niemieckie słowo„holraum” (hohlraum) jest wnęką, której ściany znajdują się w równowadze radiacyjnej z wnęką. Hohlraum, niczym lalka lęgowa, skrywa kapsułkę paliwową wielkości ziarnka pieprzu. Składa się z zamarzniętej warstwy deuteru i trytu otaczającej schłodzoną mieszaninę gazową tych samych izotopów.

Lasery instalacji NIF muszą podczas pracy szybko nagrzewać wewnętrzne ścianki hohlraum, co zamienia energię lasera na promieniowanie rentgenowskie. Z kolei promienie rentgenowskie powinny szybko się nagrzewać powierzchnia zewnętrzna kapsułka paliwowa. Odpowiednio nagrzana kapsuła powinna zapaść się z siłą porównywalną do tej, jaka powstaje przy wystrzeleniu rakiety, czyli powinna nastąpić eksplozja do wewnątrz (implozja) warstwy deuterowo-trytowej.

Jeśli implozja nastąpi symetrycznie i z pożądaną prędkością, wówczas atomy deuteru i trytu zostaną zmuszone do wejścia w reakcję termojądrową trwającą 10 bilionowych części sekundy. Oczekuje się, że temperatura, która wytworzy się w kapsule paliwowej, wyniesie około 100 milionów stopni, co oznacza, że kapsuła będzie gorętsza niż centrum Słońca.

Schemat przesyłu energii w Hohlraum - rysunek audytorów GAO.
Kliknij lewym przyciskiem myszy, aby wyświetlić w pełnej skali.

Wstępne testy potwierdzające procesy zachodzące w instalacji NIF odbyły się w Laboratorium Energii Laserowej Uniwersytetu Rochester (Nowy Jork). Laboratoryjne systemy laserowe OMEGA i OMEGA EP stanowią obecnie podstawę wszystkich badań nad syntezą laserową NNSA. Przed utworzeniem NIF byli rekordzistami świata w zakresie energii wiązki laserowej.

Tarcze, hohlraumy i inny powiązany sprzęt dla NIF są dostarczane przez kalifornijską firmę General Atomics. Za systemy diagnostyczne odpowiada Narodowe Laboratorium w Los Alamos, zaś Laboratorium Sandia odpowiada za prowadzenie badań pomocniczych z wykorzystaniem Maszyny Z, która jest w stanie przekształcić promieniowanie elektromagnetyczne w promieniowanie rentgenowskie.

Problemy techniczne

Czy powstanie NIF zakończy się sukcesem i czy amerykańskim naukowcom uda się za pomocą laserów wywołać reakcję termojądrową? Audytorzy GAO sucho odwołują się do ustaleń niezależnego panelu JASON, który nakreślił wyzwania techniczne stojące przed deweloperami NIF.

Jednym z głównych zadań jest minimalizacja strat promieniowanie laserowe, czyli znacznie zmniejszyć udział energii, która przejdzie przez hohlraum lub zostanie odbita od jego ścian. Jeśli odbicie grozi zwykłą utratą energii, wówczas każda brakująca wiązka będzie negatywnie wpływać na symetrię kompresji kapsuły paliwowej, podając w wątpliwość inicjację reakcji termojądrowej.

Nawet najbardziej precyzyjne skierowanie wiązki lasera nie gwarantuje pełnego sukcesu. Pod wpływem promieniowania laserowego wewnątrz hohlraum rozpoczyna się proces jonizacji, a powstający naładowany gaz zakłóca procesy przenoszenia energii. Krótko mówiąc, w wyniku oddziaływania zjonizowanych cząstek i wiązek lasera część energii docierającej do hohlraum zostanie przeniesiona z powrotem poza jego granice.

Naukowcy nazywają ten proces „niestabilnością lasera i plazmy”. (niestabilność lasera i plazmy). Oprócz utraty energii prowadzi to również do niepożądanej interferencji pomiędzy wiązkami lasera, co będzie miało zły wpływ na symetrię implozji.

Drugi najważniejszy problem NIF jest powiązany z prędkością implozji. Aby zapoczątkować reakcję termojądrową, kapsuła paliwowa musi zostać ściśnięta 40 tysięcy razy w porównaniu do jej pierwotnego rozmiaru. W takim przypadku kapsułka musi zachować kulisty kształt. Co więcej, implozja musi zachodzić z określoną prędkością, w przeciwnym razie nie będzie możliwe wytworzenie ciśnień niezbędnych do rozpoczęcia syntezy lekkich jąder.

Jeśli powierzchnia kapsuły paliwowej nie jest wystarczająco gładka lub jeśli promienie rentgenowskie uderzają w kapsułę nierównomiernie, na kapsułce zaczną tworzyć się wypustki przypominające palce. Jak pokazują wyniki obliczeń z wykorzystaniem modeli matematycznych, powstawanie występów będzie konsekwencją niestabilności hydrodynamicznych powstających w wyniku kontaktu materiałów o różnej gęstości. Jeśli występów jest zbyt wiele, reakcja termojądrowa nie nastąpi, ponieważ temperatura wewnątrz kapsuły spadnie z powodu występów.

Występy w kształcie palców na powierzchni kapsuły paliwowej – rysunek audytorów GAO.
Kliknij lewym przyciskiem myszy, aby wyświetlić w pełnej skali.

Oprócz dwóch wspomnianych wyżej problemów, twórcy NIF-a borykają się także z bardziej tradycyjnymi, choć nie mniej poważnymi, trudnościami. Muszą więc zapewnić niezawodną kontrolę nad stanem optyki, która oczywiście z czasem ulegnie uszkodzeniu pod wpływem przechodzących przez nią wiązek laserowych.

Początkowo takie uszkodzenia będą niewielkie, ale z biegiem czasu ich liczba zacznie rosnąć, a jeśli całkowity procent uszkodzeń przekroczy pewien limit, wówczas eksploatacja NIF przy parametrach nominalnych będzie niemożliwa.

Trzeba przyznać, że twórcy NIF-a nie boją się problemów. Konstrukcja hohlraum została całkowicie przeprojektowana, a jej nowa konstrukcja zapewnia minimalizację strat energii lasera. Z jego projektu usunięto osłony punktów wejścia wiązek laserowych, gdy tylko okazało się, że pozornie dobry pomysł specjalnego uporządkowania miejsc, w których wiązki trafiają w cel, doprowadził do gwałtownego wzrostu niestabilności lasera-plazmy.

Po długich poszukiwaniach naukowcy zdecydowali się na hel jako materiał wypełniający hohlraum. Pierwotny projekt miał wykorzystywać mieszaninę wodoru i helu. Te i inne modyfikacje zostały przetestowane w walce podczas pierwszych eksperymentów w NIF, przeprowadzonych w 2009 roku. Uzyskane wyniki uważa się za zadowalające i istnieje nadzieja na uniknięcie niestabilności podczas pracy z mocą znamionową.

Zrozumienie procesów implozji powinno ulec poprawie po przeprowadzeniu serii obliczeń komputerowych w modelach dwu- i trójwymiarowych. Ponadto aktywnie badana jest niestabilność hydrodynamiczna wspomnianego już kompleksu OMEGA. Pracownicy NIF mają także nadzieję, że uda im się monitorować stan optyki.

Operację NIF z całkowitą energią wiązki laserowej 1,8 MJ przełożono na 2011 rok. Do końca 2010 roku instalacja będzie pracować z energiami na poziomie 1,2-1,3 MJ. Według ekspertów, przy energii 1,2 MJ, straty energii na skutek niestabilności w pierwszych eksperymentach nie przekroczyły 6%, mimo że projekt dopuszcza straty 15%.

Pierwsze inkluzje doprowadziły także do pierwszych strat w optyce. W marcu 2009 r. część promieni nieoczekiwanie odbiła się na drodze do celu. „Udana” salwa w połączeniu z błędem projektowym spowodowała wyłączenie 4% całkowitej liczby lusterek w systemie. Na szczęście „egzekucja” nastąpiła przy energii świateł mijania, w przeciwnym razie konsekwencje mogłyby być jeszcze gorsze.

Instalacja NIF krok po kroku zbliża się do normy. Najnowsze wyniki, uzyskane w eksperymentach w grudniu 2009 roku, uzyskano przy energii lasera 1,2 MJ.

Niezależni eksperci zalecają ostrożność. Przewidują, że NIF z pewnością stanie przed nowymi wyzwaniami technologicznymi i fizycznymi, których na tym etapie nie da się nawet przewidzieć. A audytorzy GAO zastanawiają się, czy obecny harmonogram pierwszej reakcji termojądrowej zachodzącej w 2012 roku jest realistyczny.