ݺߣ

ݺߣShare a Scribd company logo

Термоядрени реактори

•Download as PPT, PDF•
•
Iva Todorova
Iva Todorova

Термоядрени реактори

1 of 17
Downloaded 39 times
 
 Процес на сливане на леки ядра, осъществен в резултат на високата температура на средата, се нарича термоядрен синтез.  Термоядрени реакции протичат във вътрешността на Слънцето и другите звезди и са източник на излъчваната от тях енергия.  В зависимост от начина за достигане на високите температури термоядреният синтез бива неуправляем и управляем.  В ядрото на слънцето огромното гравитационно налягане позволява това да става при температури около 10 милиона градуса.  При много по-ниски налягания (10 милиарда пъти по-ниски отколкото в слънцето), които може да създадем на земята, се изискват температури над 100 милиона градуса, за да имаме интересната за нас скорост на генериране на термоядрена енергия.  Газ, нагрят до такива температури, се превръща в "плазма", в която електроните са напълно отделени от атомните ядра.
Термоядрени реактори
 Устройствата, в които термоядреният синтез протича бавно, като се контролира и управлява, се наричат термоядрени реактори.  За протичане на управляем термоядрен процес трябва да са изпълнени следните условия: 1. Създаване на високотемпературна плазма. 2. Задържане на плазмата далеч от стените на нейния контейнер, за да се осъществи синтез на леките ядра. 3. Поддържане на голяма плътност на плазмата частици/ сm3 , за да се увеличи броят на ядрата, участващи в синтеза.  Задържането на високотемпературна и висококонцентрирана плазма се оказва трудна задача тъй като тя е крайно нестабилна и се разлита за части от секундата.  Задържането и не може да се осъществи в нито един от известните материали, понеже те биха се изпарили, а самата плазма при допира с тях би понижила температурата си.  Затовя задържането и се постига чрез поставяне на плазмата в тороидален "кафез", направен от силни магнитни полета, които не позволяват на електрически заредените частици на плазмата да се изплъзват.
 За преспективна засега се приема затворената система от типа “Токамак”.  Първият термоядрен реактор е изобретен през 1950 година от Игор Там и Андрей Сакаров. Той е бил наречен тороидална магнитана 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 тороидален, 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 (няколко милиона ампера), индуциран от големите намотки. Комбинацията от тороидално и полоидално полета формира спираловидни магнитни силови линии, които обвиват тора.
Термоядрени реактори
 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 полоидално 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, в който случай протичащият през тях ток не ги загрява.
Термоядрени реактори
 Най-големите в света токамаци са следните: JET (Joint European Torus), Великобритания DIII-D, САЩ ASDEX Upgrade, Германия JT60-U, Япония Tore Supra, Франция Снимка отвън на JET.ASDEX Upgrade, Германия
Термоядрени реактори
 Други инженерни конструкции, варианти на Токамак - например "стелатор" използват само магнитни полета. Съществуват и разновидности на Токамак, наречени сферични Токамаци или сфематори, в които се използва основно магнитно поле във формата на сфера.  ITER е международен проект за проучване и разработка, който цели да демонстрира научната и техническата възможност да се постигне управляем термоядрен синтез.  В проекта участват Европейския съюз, Япония, Китай, Индия, Корея, Русия и САЩ. ITER ще бъде конструиран в Европа, в гр. Кадараш - Южна Франция.  От използванията в ITER Токамак се очаква да произвежда електрическа енергия с мощност между 100 и 500 MW. Като тази полезна енергия е разлика между произвежданата в самият ITER и подаваната електрическа енергия за работа на самият ITER и неговият Токамак.  Тоест термоядреният реактор ще произвежда повече електричество, отколкото консумира за работата си.
Как ще изглежда ITER 2019г.
 В бъдещите токамаци и термоядрени реактори се планира използване на друга реакция на управляем термоядрен синтез - тази на сливане на хелий-3 и деутерий.  Предимството и е изключително ниското равнище на неутронен поток ( стените на камерата не се разрушава), както и пълната липса на каквато и да е слаба радиоактивност.  Недостатъка на тази управляема термоядрена реакция е нуждата от десетократно по-висока температура за започване на реакцията - около един милиард градуса, което обаче в момента се счита за обикновен инженерен проблем.
 Друго предложение за осъществяване на управляем термоядрен синтез е използването на мощни лазерни импулси.  Излъчванията на няколко десетки импулсни лазери се фокусират върху капсули пълни със замръзнала смес на деутерий и тритий.  Част от капсулата се свива и йоните на деутерия и трития увеличават енергията си до стойности, достатъчни за протичане на термоядрен синтез.  Предвижда се отделената енергия да превишава около 100 пъти енергията, отделена от лазерите.  Ако стените на съда издържат взривната вълна, енергията й може да се използва.
Термоядрени реактори
 Запасите от термоядрено гориво на Земята са огромни и неизчерпаеми. В земната хидросфера се съдържат ~25 000 милиарда тона деутерий.  Термоядреното гориво има по-ниска цена от обикновеното и ядреното.  Не е необходимо масата на горивото да е равна на критичната, което изключва опасността от взривно протичане на реакцията.  При работа не се отделят радиоактивни отпадъци – от екологична гледна точка този начин за придобиване на енергия е за предпочитане.  Липсват парникови и отровни емисии.
Термоядрени реактори

More Related Content

Термоядрени реактори

  • 2.  Процес на сливане на леки ядра, осъществен в резултат на високата температура на средата, се нарича термоядрен синтез.  Термоядрени реакции протичат във вътрешността на Слънцето и другите звезди и са източник на излъчваната от тях енергия.  В зависимост от начина за достигане на високите температури термоядреният синтез бива неуправляем и управляем.  В ядрото на слънцето огромното гравитационно налягане позволява това да става при температури около 10 милиона градуса.  При много по-ниски налягания (10 милиарда пъти по-ниски отколкото в слънцето), които може да създадем на земята, се изискват температури над 100 милиона градуса, за да имаме интересната за нас скорост на генериране на термоядрена енергия.  Газ, нагрят до такива температури, се превръща в "плазма", в която електроните са напълно отделени от атомните ядра.
  • 4.  Устройствата, в които термоядреният синтез протича бавно, като се контролира и управлява, се наричат термоядрени реактори.  За протичане на управляем термоядрен процес трябва да са изпълнени следните условия: 1. Създаване на високотемпературна плазма. 2. Задържане на плазмата далеч от стените на нейния контейнер, за да се осъществи синтез на леките ядра. 3. Поддържане на голяма плътност на плазмата частици/ сm3 , за да се увеличи броят на ядрата, участващи в синтеза.  Задържането на високотемпературна и висококонцентрирана плазма се оказва трудна задача тъй като тя е крайно нестабилна и се разлита за части от секундата.  Задържането и не може да се осъществи в нито един от известните материали, понеже те биха се изпарили, а самата плазма при допира с тях би понижила температурата си.  Затовя задържането и се постига чрез поставяне на плазмата в тороидален "кафез", направен от силни магнитни полета, които не позволяват на електрически заредените частици на плазмата да се изплъзват.
  • 5.  За преспективна засега се приема затворената система от типа “Токамак”.  Първият термоядрен реактор е изобретен през 1950 година от Игор Там и Андрей Сакаров. Той е бил наречен тороидална магнитана 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 тороидален, 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 (няколко милиона ампера), индуциран от големите намотки. Комбинацията от тороидално и полоидално полета формира спираловидни магнитни силови линии, които обвиват тора.
  • 7.  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 полоидално 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, в който случай протичащият през тях ток не ги загрява.
  • 9.  Най-големите в света токамаци са следните: JET (Joint European Torus), Великобритания DIII-D, САЩ ASDEX Upgrade, Германия JT60-U, Япония Tore Supra, Франция Снимка отвън на JET.ASDEX Upgrade, Германия
  • 11.  Други инженерни конструкции, варианти на Токамак - например "стелатор" използват само магнитни полета. Съществуват и разновидности на Токамак, наречени сферични Токамаци или сфематори, в които се използва основно магнитно поле във формата на сфера.  ITER е международен проект за проучване и разработка, който цели да демонстрира научната и техническата възможност да се постигне управляем термоядрен синтез.  В проекта участват Европейския съюз, Япония, Китай, Индия, Корея, Русия и САЩ. ITER ще бъде конструиран в Европа, в гр. Кадараш - Южна Франция.  От използванията в ITER Токамак се очаква да произвежда електрическа енергия с мощност между 100 и 500 MW. Като тази полезна енергия е разлика между произвежданата в самият ITER и подаваната електрическа енергия за работа на самият ITER и неговият Токамак.  Тоест термоядреният реактор ще произвежда повече електричество, отколкото консумира за работата си.
  • 13.  В бъдещите токамаци и термоядрени реактори се планира използване на друга реакция на управляем термоядрен синтез - тази на сливане на хелий-3 и деутерий.  Предимството и е изключително ниското равнище на неутронен поток ( стените на камерата не се разрушава), както и пълната липса на каквато и да е слаба радиоактивност.  Недостатъка на тази управляема термоядрена реакция е нуждата от десетократно по-висока температура за започване на реакцията - около един милиард градуса, което обаче в момента се счита за обикновен инженерен проблем.
  • 14.  Друго предложение за осъществяване на управляем термоядрен синтез е използването на мощни лазерни импулси.  Излъчванията на няколко десетки импулсни лазери се фокусират върху капсули пълни със замръзнала смес на деутерий и тритий.  Част от капсулата се свива и йоните на деутерия и трития увеличават енергията си до стойности, достатъчни за протичане на термоядрен синтез.  Предвижда се отделената енергия да превишава около 100 пъти енергията, отделена от лазерите.  Ако стените на съда издържат взривната вълна, енергията й може да се използва.
  • 16.  Запасите от термоядрено гориво на Земята са огромни и неизчерпаеми. В земната хидросфера се съдържат ~25 000 милиарда тона деутерий.  Термоядреното гориво има по-ниска цена от обикновеното и ядреното.  Не е необходимо масата на горивото да е равна на критичната, което изключва опасността от взривно протичане на реакцията.  При работа не се отделят радиоактивни отпадъци – от екологична гледна точка този начин за придобиване на енергия е за предпочитане.  Липсват парникови и отровни емисии.