Управляем термоядрен синтез

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене

Магнитни термоядрени реактори[редактиране | edit source]

Първият термоядрен реактор е изобретен през 1950 г. от Игор Там и Андрей Сахаров. Той е наречен тороидална магнитна камера „Токамак“ (от руското "тороидальная камера в магнитных катушках"). Особеното при токамака са магнитното поле и начинът, по който то се получава. Магнитното поле се създава от намотки, които обхващат камерата като халки, нанизани на пръстен, както и от големи намотки, успоредни на равнината на тора. Във всяка точка от вакуумната камера магнитното поле има две компоненти: едната тороидална, насочена по оста на самия тор, а другата, наречена полоидална, е разположена в равнина, перпендикулярна на първата. Тороидалната компонента се създава от намотките. През плазмата в този пояс протича мощен ток, индуциран от големите намотки. Комбинацията от тороидално и полоидално полета формира спираловидни магнитни силови линии, които обвиват тора.

При типичен експеримент с токамак първата операция е да се създаде тороидално магнитно поле. За тази цел по съответните намотки протича ток. След това във вакуумния тороидален пояс инжектират определено количество деутерий (или смес от деутерий и тритий при най-новите експерименти). После успоредно на тороидалното магнитно поле в плазмата се прилага електрично поле. То се създава чрез индукция от променливия ток, пуснат по успоредните на тора намотки. Получава се електричен разряд, който превръща деутериевия газ в плазма – смес от положителни йони и електрони. Електричното поле ускорява електроните, което поражда тороидален ток през плазмата. Този "плазмен ток" индуцира тороидално магнитно поле и увеличава чрез ударите на електроните температурата на плазмата. След като плазменият ток се стабилизира, се загрява допълнително. Тази последователност от операции трае само няколко секунди, освен ако намотките не са свръхпроводящи.

Сред по-известните проекти с магнитни термоядрени реактори са: ITER, JET, JT-60, KSTAR, EAST, T-15, TORE SUPRA, TFTR.

JET[редактиране | edit source]

JET (Joint European Torus) е все още най-големият термоядрен реактор построен някога. JET е разположен край град Кълам, Великобрирания. Първите експерименти били проведени през 1983 г. Като се изключи ITER, JET остава единственият термоядрен реактор разполагащ с установки, предназначени за контролиране на радиацията, изпусната при синтез на деутерий с тритий. През 1997 г. ЈЕТ постигна най-голямо количество добита енергия от порядъка на 16MW, което се оценява на 0,7 част от топлината вложена в протичането на термоядрения синтез. Реактор, който сам подържа термоядрената реакция, на практика ще отделя достатъчно енергия, за да се подхранва сам. Стените на реактора са изградени от въглеродни нишки с берилиево покритие.

JT-60[редактиране | edit source]

JT-60 (Japan Torus) е флагманския проект на Японската термоядрена програма. Експерименталния реактор е пуснат в действие през 1985 година. JT е типичен токамак с D-увидна полоидална секция подобно на JET. През 1998 г. са постигнати условия, при които ако вместо D-D е било използвано D-T гориво, JT-60 е щял да получи енергия равна на 1,25 от вложената в загряването на плазамата. JT-60 не разполага с помещения за складиране на тритий, така както JET. През януари 2006 г. Японската атомна енергийна агенция (ЯАЕА) оповести новината, че JT-60 е задържал плазамата 28,6s биейки собствения си рекорд от 16,5s, поставен през 2004 г.

KSTAR[редактиране | edit source]

KSTAR (Korean superconducting tokamak advanced reactor) е термоядрено магнитно устроиство строящо се в Деджон, Южна Корея. Целта на проекта е да се изучат аспектите на термоядрената магнитна енергия, което се явява приноса на страната в проекта ITER. Проектът е приет през 1995 г. и завършен през август 2007 година. Очаква се първата плазма да бъде получена през 2008 г.

Магнитната система на KSTAR се съсстои от 16 ниобиеви тороидални магнита 10 ниобиеви полоидални магнита и 4 ниобий-титанови полоидални магнита. Планира се реакторът да изучи поведението на плазамата през първите 20 секунди. До 2011 г. реакторът ще бъде усъвършенстван, за да може да оцени плазмата в период от 300 секунди. Пръстенът на реактора (където се държи плазмата) е с радиус 0,5-1,8 м, максималната тороидална магнитна сила е от порядъка на 3,5Т и е с плазмен ток 2МА. Както при други токамаци за нагряването на плазмата се използва йонно и електронно циклично резонансно нагряване.

Tore Supra[редактиране | edit source]

Tore Supra (Torus superconductor) е сред големите термоядрени реактори разполагащ със суперпроводящи тороидални магнити, способни да създадат стабилно магнитно поле.

Tore Supra се намира близо до градчето Карадаш, Франция. Проекта е въведен в действие през 1988 г. Този ексепиментален реактор държи рекорда за най-дълго задържана плазма (6,5 минути). Друга основна цел на реактора Tore Supra е да тества едни от най-важните елементи от конструкцията на термоядрените реактори като магнити, пръстени в които ще се държи плазмата и други.

Лазерни термоядрени реактори[редактиране | edit source]

При магнитните термоядрени реактори основният проблем е голямото количество плазма и нейният контрол. По принцип тези трудности могат да се премахнат, ако се използва малко количество гориво, което от своя страна, да бъде изгорено преди да успее да се разлети в пространството. Разбира се, за да не се получи експлозия е нужно да се използва много малки порции термоядрено гориво с висока плътност. За да се получи термоядрена реакция е нужно горивото, предимно D-T ядрено гориво да е във вид на ледено топче с плътност 1029 частици на м3 и диаметър 1мм. Тези проблеми лесно могат да се решат чрез използването на лазерна установка. Лазерите могат да концентрират голямо количество енергия в малки размери за кратки интервали от време 10-10-10-9s. "Искрата", която запалва компресираната материя се поражда от едновременния колапс на шокови вълни, излъчени с висока времева точност. Това обаче изисква както прецизна симетрия на имплозията така и голяма задвижваща енергия. И двата проблема могат да се разрешат при метода на бързото запалване.

Този метод е предложен през 1993 г. от физиците в лабораторията Лорънс в Ливърмор (САЩ) и се състои в това, че вече в предварително свитата плазма се фокусира втори, ултраинтензивен краткотраен пулсов лазер. При тази операция електроните се ускоряват до скорости близки до тази на светлината, а същевременно нагряват плазмата и има вероятност да започне верижната реакция на ядрен синтез. Проблемът е, че ултраинтензивният лазерен лъч докато си пробива път през плътната плазма, може да се отрази и разсее. Учените решават да поставят в топчето гориво миниатюрен златен конус (ширина 175 микрона и дебелина на стената на върха му 5 микрона). Може да осигури канал, през който да премине вторият свръхмощен лазерен импулс и да отдаде енергията си. Сред по-известните проекти с лазерни термоядрени реакции са: NIF, OMEGA Laser, Nova Laser, Shiva Laser, Argus Laser и други.

NIF[редактиране | edit source]

NIF (National Ignition Facility) е сред най-високо енергийните и мощни лазерни устройства, разработвани някога. Главната му роля е да изучи методите на лазерните термоядрени реакции и чрез тези експерименти да даде по-ясна представа за изследванията на високоенергийната физика и атомните оръжия. Проектът NIF е стартиран през 1993 г. За да се постигне термоядрен синтез, е нужно целта да бъде уцелена от лазера от всички възможни страни в интервал от няколко пикосекунди. За целта лазерът се разлага на по-малки, като всеки от тях бива забавен с цел да се осигури едновременното им достигане до целта. Лазерната установка се състои от 192 лазера, всеки от които да разполага с 16 фосфатни решетки, усилващи мощността на лъчите. Основната лазерна светлина е доставена от Инжекционна лазерна система (Injection Laser System). Светлината от нея се разпределя към 48 модула, подобни, но много по-малки от фосфатните решетки.

OMEGA Laser[редактиране | edit source]

OMEGA Laser се намира в Лабораторията за лазерна енергатика (LLE), Рочестър, Ню Йорк. Той се смята за най-мощния енергиен и високоенергиен лазер в света. OMEGA представлява 60 лъчев ултравиолетов лазер способен да насочи поток от енергия от 30КJ до 60TW върху цел с размери по-малки от 1мм в диаметър. Конструкцията на лазерите бе завършена през 1995 година. OMEGA Laser държа рекорда за най-високо енергиен лазер (за пулс) от 1999 до 2005 година, когато 8-те лъча на NIF надскочиха енергията излъчвана от лазерната установка OMEGA с около 30KJ.

Nova Laser[редактиране | edit source]

Проектът Nova е стартиран през 1984 г. Той провежда експерименти върху термоядрен синтез до 1999 г., когато лазерът бива деконструиран. Проектът е дал решение на някои от проблемите, възникнали при лазерните установки: хомогенност на светлинните снопове, губене на енргия на лазера. При експерименти се установило, че лазера си взаимодейства активно с електрони от плазмата, което го карало да губи енергия.

Shiva Laser[редактиране | edit source]

Проектът е стартиран през 1977 г. Установката разполага с 20 лазера. Устройството е наименувано на индийския бог Шива. Заслугите на Shiva се ограничават главно в усъвършенстване устройството на лазерните установки.