Nükleer füzyon (veya thermonuclear ) iki prosestir atom çekirdeklerinin daha ağır bir çekirdek oluşturmak için birleşir. Bu reaksiyon doğal olarak Güneş ve çoğu yıldızlı içinde Evrenin hepsi de, kimyasal elementler dışında hidrojen ve çoğu helyum oluşturulur . Nükleer fisyon ile birlikte , uygulanan iki ana nükleer reaksiyon türünden biridir .
Nükleer füzyon , güçlü etkileşim nedeniyle nükleonlar arasındaki çekimden kaynaklanan , birim kütle başına muazzam miktarda enerji yayar (bkz. nükleer bağlanma enerjisi ). Daha kaynaşık çekirdeklerin kütleleri daha olmak füzyon reaksiyonu ürün (ler) kütlesi, fark dönüşür kinetik enerjiye (bu daha sonra ısı göre) Einstein'ın formülü E = mc 2 .
Nükleer füzyon, H bombalarında ve daha çok anekdot olarak nötron jeneratörlerinde kullanılır . İki büyük avantajı olan elektrik üretimi için kullanılabilir :
1950'lerden bu yana dünya çapında yapılan araştırmalara rağmen, füzyonun enerji üretimine yönelik endüstriyel bir uygulaması henüz sağlanamadı. Mühendisler, kapalı bir alanda birkaç milyon derecelik bir sıcaklık yaratma ve koruma zorluğuyla karşı karşıya.
Nükleer füzyonun, özellikle korkunç bir nükleer kaza olan bir nükleer reaktörün çekirdeğini eritmekle hiçbir ilgisi yoktur .
Füzyon reaksiyonlarının keşif başlangıç tarihi XX inci yüzyılın. Bazı deneylerde sonra astrofizikçi Arthur Eddington yıldızlı enerji füzyonu kaynaklandığını 1920 yılında önerilen hidrojen çekirdeklerinin içine helyum . 1934'te Ernest Rutherford , laboratuvarda ( döteryum atomları arasında ) ilk füzyon reaksiyonunu gerçekleştirdi .
1938'de Hans Bethe ve Carl Friedrich von Weizsäcker'in çalışması , atom çekirdeğindeki nükleonlar arasındaki bağlanma enerjisinin yaklaşık bir değerini veren Weizsäcker'in formülüyle sonuçlandı . Bu formülden yıldızların içinde gerçekleşen reaksiyonları hayal ederler. 1950'de George Gamow , Büyük Patlama'dan hemen sonra gerçekleşmiş olabilecekleri inceledi . Özellikle, yıldızlarda meydana gelen nükleon füzyon reaksiyonlarının sıklığını açıklamayı mümkün kılan kuantum tünelleme etkisini analiz eder .
1940'larda, bu çalışmalar, bir füzyon reaksiyonunda üretilen elementlerin çok daha az sayıda olduğunu ve nükleer fisyon tarafından üretilen atıklardan önemli ölçüde daha kısa bir yarı ömre sahip olduğunu gösterdi, füzyon için doğal kaynakların devasa miktarlarda mevcut olduğundan bahsetmeye gerek bile yok. Çok güçlü yerçekimi sayesinde yıldızlarda oluşan füzyon, daha sonra manyetik füzyon adı verilen bir süreç olan manyetik alanlar kullanılarak Dünya'da düşünülür .
1946'da İngiliz fizikçiler George Paget Thomson ve Moses Blackman bir nükleer füzyon reaktörü için ilk patenti aldılar. Bir teklif toric- şekilli için vakum odası bir sınırlandırmak plazma . 1950'lerin başında Sovyet fizikçiler Igor Tamm ve Andrei Sakharov tarafından fizikçi Oleg Lavrentiev'in özgün bir fikri üzerine icat edilen tokamak kısaltması Rusça'dan gelir ve "manyetik bobinli toroidal oda" anlamına gelir.
Soğuk Savaş nedeniyle , birçok ülke tecrit ve büyük bir gizlilik içinde araştırmalarına başladı ( Amerika Birleşik Devletleri , SSCB , İngiltere , Fransa , Almanya ve Japonya ).
Ocak 1958'de İngilizler, nötronları füzyon reaksiyonlarından elde ettiklerini açıkladılar : kontroller, bu nötronların aslında plazmanın kararsızlığından geldiğini gösteriyor. Bu başarısızlık, aynı yılın Eylül ayında Cenevre'de Barış için Atomlar programı (“Barış için Atomlar”) kongresi sırasında ilan edilen küresel düzeyde araştırmaların bir araya getirilmesini kışkırtıyor . 1968'de iki Rus tokamak, T3 ve TM3, bir plazmanın sıcaklığı 20 milisaniye boyunca on milyon santigrat derece aşmasına izin verdi. Bu nedenle, bu araştırma dizisi en umut verici olarak kabul edilir.
İlk petrol şoku ve demografik tahmin , artan enerji ihtiyaçları karşısında kaynakların istikrarsızlığını gösterirken, neredeyse tükenmez bir enerji kaynağı olasılığı kıskançlık uyandırıyor . 1970-1980 yılları, deneysel araştırmalar için çılgın bir yarışa sahne oldu ve pozitif bir enerji dengesi elde etme hedefi olmaksızın önemli meblağlar harcandı; Amerika Birleşik Devletleri bunun için yılda 500 milyon dolara kadar harcıyor. Kredilerin çoğu, giderek daha güçlü tokamakların geliştirilmesi içindir. Diğer araştırma alanları araştırılır. Atalet sınırlandırıcı lazer plazma gücü lazerler deneyimli olan, radyal hapsetme solenoidi (sayılır saha ters konfigürasyon (in) aşağıdaki özellikleri ile, FRC) plazma kendi kendilerini düzenlemelerine, düşük güç deneyleri ihtiva manyetohidrodinamik özellikleri küresel bir hacim içinde veya spheromak gerçekleştirilmektedir.
1990'larda, geleneksel tokamak'ın geleceği, performans sınırlarının farkındalığı nedeniyle karardı. Bu, plazma basıncının manyetik basınca oranı olarak tanımlanan plazma β (beta) oranı ile ifade edilir . O zamanlar, pozitif enerji dengesine izin veren füzyon reaksiyonları elde etmek için gerekli sıcaklıkları beklemenin tek yolu manyetik hapsi olarak kabul edildi. Bu faktörün %5'i geçemeyeceği konusunda hemfikir olunmuştur, bu da mıknatısları daha güçlü hale getirmek için çok fazla enerji harcamak anlamına gelir. Araştırma fonları kuruyor. ITER projesi , inşaat bütçesinin on kat arttığını ve gecikmelerin arttığını görüyor. 1997'de ilk "modern" küresel tokamak olan START (en) toroidal β'yı %38'e çıkararak yeni bir rekor kırdı. Almanya'da, bir başka araştırma hattı, tokamak etrafında bir varyasyon, bir yıldız yapıcının , 1994 yılından kalma bir proje olan Wendelstein 7-X'in inşasıyla yürütülüyor , ancak nihayet 2015'te teslim edildi.
Umut yeniden doğuyor, ITER projesi nihayet başlıyor ve 2011'de inşaata başlanıyor. İlk plazmalar 2025 için planlanıyor. Daha kompakt ve güçlü yeni cihaz tasarımlarının habercisi olan ITER sonrası dönemi şimdiden düşünüyoruz. Gösteri için çeşitli küresel tokamak tasarımları ( Enerji Üretimi için Küresel Tokamak (tr) ) önerildi ve özel şirketler yarışa giriyor.
NS 4 Aralık 2020, Çin kendi Tokamaklar, en verimli başlar HL-2M . Sichuan eyaletinde bulunan ITER programının bir parçasıdır.
Bir nükleer füzyon reaksiyonu, iç içe geçmek için iki atom çekirdeği gerektirir. Bunun için çekirdekler, her ikisi de pozitif olan elektrik yüklerinden kaynaklanan yoğun itmenin üstesinden gelmelidir (“ Coulomb bariyeri ” olarak bilinen bir fenomen ). Sadece klasik mekaniğin yasaları uygulansaydı, bariyeri geçmek için gereken aşırı yüksek kinetik enerji ( termal ajitasyona karşılık gelen ) nedeniyle çekirdek füzyonu elde etme olasılığı çok düşük olurdu . Bununla birlikte, kuantum mekaniği , pratikte doğru olan, Coulomb bariyerinin daha düşük enerjilerde tünelleme yoluyla da geçilebileceğini tahmin ediyor .
Füzyonu için gerekli enerjileri tekabül eden, çok yüksek kalır sıcaklıklarda birkaç on ya da milyonlarca hatta yüzlerce Celsius (aşağıya bakınız çekirdek yapısına bağlı olarak füzyon plazmalar ). İçinde Sun , örneğin, füzyon hidrojen üretiminde aşamaları ile sonuçlanır, helyum , on beş milyon düzeninin sıcaklıklarda gerçekleşir Kelvin reaksiyon kalıpları izlenerek, ama. Füzyon enerjisi üretimi üzerinde çalışılan farklıdır Toprak. Bazı daha büyük kütleli yıldızlarda, daha yüksek sıcaklıklar daha ağır çekirdeklerin kaynaşmasına izin verir.
İki çekirdek birleştiğinde, ortaya çıkan çekirdek kararsız bir duruma gelir ve bir veya daha fazla parçacığı ( tepkime türüne bağlı olarak foton , nötron , proton , helyum çekirdeği) çıkararak daha düşük enerjili kararlı bir duruma geri dönmelidir . Fazla enerji, çekirdek ile kinetik enerji şeklinde yayılan parçacıklar arasında dağıtılır .
Ticari işletme perspektifinden, füzyonun enerji açısından karlı olabilmesi için, üretilen enerjinin, reaksiyonların sürdürülmesi için tüketilen enerjiden ve dış ortama termal kayıplardan daha büyük olması gerekir. Füzyon reaktörlerinde, bu nedenle, reaksiyon ortamı ile çevrenin malzemeleri arasında, soyut sınırlama ( manyetik veya atalet ) ile elde edilen herhangi bir temastan kaçınmak gerekir .
En fazla enerji veren füzyon reaksiyonları, en hafif çekirdekleri içeren reaksiyonlardır. Böylece döteryum çekirdekleri 2
1H (a p + proton ve bir n nötron ) ve trityum 3
1H (bir proton ve iki nötron) aşağıdaki reaksiyonlarda yer alır (burada 3
2O helyum 3 ve4
2O 4 helyum ):
Eğer nükleer fizyon için uzun süre kontrol altına alındı elektrik üretimi , bu füzyon için durum böyle değildir.
Bu reaksiyonu gerçekleştirmek zordur çünkü doğal olarak birbirini itme eğiliminde olan iki çekirdeği bir araya getirmek gerekir. Döteryum gibi hafif çekirdeklerin Dünya'daki füzyonunda ustalaşmak, insan türünün daha önce hiç karşılaşmadığı miktarlarda enerji kaynaklarına erişim sağlayacak ve fisyondan çok daha az nükleer atık üretecektir. Bu önemli pay, ulusal ve uluslararası bilimsel toplulukların birkaç büyük ölçekli proje başlatmasına yol açmıştır.
Nükleer füzyon reaksiyonları üretmek için reaksiyon ortamını sınırlamaya ulaşmak için, manyetik sınırlama ve Ataletsel Sınırlama Füzyonu ile füzyon dahil olmak üzere, akla gelebilecek çeşitli yöntemler vardır .
Bu konfigürasyonlarda, plazmayı oluşturan parçacıklar, manyetohidrodinamik özelliklerine ve plazmanın kendisi veya mıknatıslar tarafından oluşturulan manyetik alan çizgilerine bağlı olarak bir yörünge izler . Partiküller böylece başlangıç konumlarına (kapalı konfigürasyon) geri dönerler veya onları cihazdan çıkmalarına (açık konfigürasyon) götüren bir yol izlerler.
torik tokamakTokamak için bir güç bitki gelişimi için tercih edilen bir aday elektrik üretimi kontrol füzyonuyla. Isı değişimi ve ısı transfer akışkanı prensibi ile çalışır .
İlk adım, ITER deneysel reaktörü ile , füzyon reaksiyonları tarafından üretilen enerjinin, plazmayı koşullarda tutmak için tüketilen enerjiden daha büyük olduğunu göstermektir.
küresel tokamakKüresel Tokamak geleneksel Tokamak halkaları çok daha verimli bir şekilde plazma nükleonları füzyon tepkimeleri gerçekleştirmek için manyetik sınırlama cihazlardır.
Mevcut deneyler, küresel tokamakların potansiyelini doğrulamaktadır. Tüm verimlilik belirteçleri, geleneksel tokamak'tan on kat daha büyüktür.
yıldızBir yıldızlaştırıcıda , plazmanın sınırlandırılması tamamen , simit etrafındaki karmaşık bobin dizilimi tarafından oluşturulan sarmal bir manyetik alan ile sağlanır . Amaç, simit geometrisi nedeniyle geleneksel bir torik tokamak'ta imkansız olan her parçacığın yörüngesini kontrol etmektir: bir dönüş yapmak için, simit içindeki parçacıklar dış taraftaki parçacıklardan daha kısa bir mesafe kateder. torus. Bir yıldızlayıcı örneği: Wendelstein 7-X .
sferomakKüre şeklinde olan spheromak , manyetohidrodinamik özellikleri sayesinde plazmanın kendi kendini organize etme ilkesini takip eder. Plazma akışı, şekliyle, onu güçlendiren ve stabilize eden bir manyetik alan oluşturur. Bazı cihazlar, spheromak ve küresel tokamak melezleridir ( örn. Proto-Sphera).
Kanada'nın başlangıç Genel Füzyon İngiliz hükümeti de dahil olmak üzere, yatırımcıların desteğiyle Vancouver bir prototip Spheromak geliştiriyor, Jeff Bezos , açıkladı17 Haziran 20212022'den 2025'e kadar ilk göstericisini Londra'nın batısındaki Culham'daki İngiliz Atom Enerjisi Kurumu kampüsünde inşa edeceğini duyurdu . Santralin gücü 115 MW olacaktır .
Açık yapılandırmalarCihazlar manyetik aynaları yakalar ve alan ters çevrilmiş konfigürasyon (en) (FRC), uzay tahrik tipi elektrik için kullanılabilir .
Manyetik hapsi ile füzyonda ısıtmaFüzyon fizikçilerinin döteryum ve trityum plazmasını ısıtması için çeşitli yollar mevcuttur.
Birinci araç, plazma içinde yoğun bir elektrik akımı üretmeyi mümkün kılan bir sistemden oluşur. Elektrotlar plazmayı kirlettiği sürece , araştırmacılar, artan veya azalan değişken bir manyetik alan sayesinde bu akımı indükler. Bu nedenle, indüklenen akımın sınırları vardır.
Plazmayı bir nötr atom demeti aracılığıyla ısıtmak da mümkündür . Bunlar, ayrı bir cihazda, bir elektrik alanı tarafından hızlandırılabilecek şekilde iyonize edilir . Daha sonra elektronlarını yeniden bağlayarak nötralize edilirler, ardından plazmaya enjekte edilirler. Bu atomlar mutlaka nötr olmalıdır, çünkü iyonlar sınırlayıcı alan tarafından saptırılır ve plazmanın merkezine erişemez. İkincisinin merkezinde bir kez, nötr atomlar tekrar iyonlaşır ve trityum ve döteryum ile karşılaştırıldığında aşırı kinetik enerjileri nedeniyle, enerjilerinin bir kısmını çarpışmalarla ortada bırakırlar. Bu nötr atomların kendileri trityum ve döteryumdur. Bu nedenle yakıt beslemesini de sağlarlar .
Bu şekilde, enerji, bir lazer ışını demeti veya yüklü parçacık demeti (elektronlar veya iyonlar) tarafından birkaç milimetre çapındaki bir yakıt topuna getirilir . Bir oranda iyonlaşma ve plazmanın bir genişlemeye, hedef yol açar dış duvarın hızlı ısıtma, yaklaşık olarak eşit C (, / 1000 C , yani, yaklaşık vakumda ışık hızı gösteren 3 x 10 8 m / s ) . Bu, döteryum-trityum yakıtını hedefin merkezinde, ilk çaptan yaklaşık on kat daha küçük bir çapta yoğunlaştıracak bir merkezcil şok dalgasının ortaya çıkmasına neden olur. Periferik plazmanın genişlemesine karşı hedef kütlesinin bu yakınsamasını nitelemek için roket etkisinden bahsediyoruz ( Newton'un üçüncü yasasının karşılıklı etkileri ilkesi ). Yanıcı ortamı yoğunlaştırma iki Bu sıkıştırma uçları (yaklaşık 1000 kat, diğer bir deyişle 10 x 10 x 10), bir vermek üzere yoğunluğu hakkında hiçbir erişilebilir Dünya yani 10, 26 , ve yaklaşık on milyon derecelik bir sıcaklık. Bu koşullar, yaklaşık 10 pikosaniye süren çok sayıda füzyon reaksiyonuna yol açar .
Ana kontrollü nükleer füzyon projelerinin durumu (ekim 2014):
Proje | Kategori | Devreye alma tarihi | Sonuçlar | Karşılaşılan zorluklar | Yorumlar |
---|---|---|---|---|---|
Commonwealth Füzyon Sistemleri | Tokamak | 2025 | (yapım aşamasında olan proje) | ||
ÖĞRENCİ | Tokamak | 2025 | Yok
(yapım aşamasında olan proje) |
İnşaat süresi,
bütçe aşıldı |
Nükleer füzyonun sanayileşmesini amaçlayan uzun vadeli bir yaklaşımın parçası olan ve amacı Q = 10'a (tüketilenden on kat daha fazla üretilen enerji) ulaşmak olan uluslararası proje (35 ülke ). Sonra 1 st başlangıçta, makine 2035 yanındaki faz (nominal güçte plazmalar), sonra faz ve nükleer enerji üretimi hazırlamak için zaman kapanır. |
Ortak Avrupa Torus | Tokamak | 1989 | Q = 0.65 (bugün üretilen güç ile nükleer füzyon tarafından indüklenen güç arasındaki en iyi oran). | Yok | Mevcut en büyük fonksiyonel Tokamak, farklı Avrupa ulusal laboratuvarları arasındaki işbirliğinin meyvesi. 2004 yılından bu yana, İTER projesinin geliştirilmesine katılmak için kapasitelerini artırmak için güncelleme çalışmaları yapmaktadır . |
MAST-U (in) | Küresel Tokamak | 2019 | toroidal beta için mevcut rekor %38 | Yok | Bugün operasyonda olan en büyük küresel tokamak , NSTX-U'nun (in) onarılmasını bekliyor. Mevcut işlevleri, ITER için saptırıcı konfigürasyonlarını test etmektir. |
Wendelstein 7-X | yıldız | 2015 | Test aşamasında - ilk sonuçlar, spesifikasyonların özelliklerine ulaşıldığını gösteriyor. | Yok |
|
Z makinesi | eksenel gerilme | 2010 | Füzyon 2014 yılında gerçekleştirildi. Sıcaklık ITER'den üç kat daha düşük. | Q > 1 verimi elde etmek için reaksiyon hızı 10.000 kat çok düşük | Lockheed Martin tarafından yan kuruluşu Sandia'nın laboratuvarlarında geliştirilen Amerikan özel programı (gizlilik endişeleri). Füzyon deneyleri sadece kullanışlılığının bir parçası olan bir simülatördür. |
CFR (tr) | manyetik tuzak | Yok | Teorik gelişmeler. Sistemin potansiyel kompaktlığı. | Bulanık ilerleme, çalışan prototip yok | Amerikan özel programı. Lockheed Martin kısa vadede bir prototip geliştirmek istiyor. |
megajoule lazer | lazer muhafazası | 2014 | Yok | Finansman | Birincil amaç, geleneksel nükleer testlerin yerini alacak bir simülatör olmaktır. Enerji üretmek, yalnızca ikincil bir araştırma hattıdır. |
sıcaklığa ulaşıldı
Plazma bakım süresi
nükleer füzyon gücü
Füzyonun muhtemel olduğu sıcaklıkta madde plazma halindedir .
Atomların veya moleküllerin iyonize bir gaz oluşturduğu belirli bir hammadde durumudur .
Her bir çekirdeği çevreleyen elektron bulutundan bir veya daha fazla elektron koparılarak geriye pozitif yüklü iyonlar ve serbest elektronlar kalır, tamamı elektriksel olarak nötrdür.
Termal bir plazmada, iyonların ve elektronların büyük ajitasyonu, parçacıklar arasında çok sayıda çarpışmaya neden olur. Bu çarpışmaların yeterince şiddetli olması ve füzyona neden olması için üç nicelik söz konusudur: sıcaklık T , yoğunluk N ve hapsedilme süresi τ .
Lawson kriter enerji ve kayıp enerji arasındaki ilişki karlı sistem için belirli bir eşiğe ulaşması gerektiğini belirtmektedir. Kontak meydana enerji üretiminin daha yüksek bir aşamada mevcut reaktörlerde oluşturmak için hala imkansız. Bu, reaksiyonun kendi kendini sürdürebileceği eşiktir. Döteryum-trityum reaksiyonu için, bu eşiği 10 14 s / cm 3 .
Bileşenlerin bağlanma enerjisi , Evrenin dört temel etkileşim kuvvetinden biri olan güçlü nükleer etkileşim kuvvetinden gelir .
Ancak bu bağı elde etmek için yapılacak enerji yatırımı, mevcut iki atom çekirdeğinin elektrik yüklerinin çarpımı ile orantılıdır . Bu nedenle, füzyon seçimi , bu ürünün 1 değerinde olduğu iki ağır hidrojen izotopu olan döteryum ve trityum üzerine düştü .
Bir füzyon elde etmek için sağlanacak minimum enerji 4 k eV'dir (40 milyon kelvin sıcaklığa eşdeğer ); sonra salınan kinetik enerji , yayılan nötronda %80 ve üretilen helyum 4'te %20 dağıtılan 17.6 MeV'dir .
Ancak Lawson'ın kriterine ve yeterince pozitif bir verimliliğe ulaşmak için gereken enerji 10 k eV veya 100 milyon santigrat derece civarındadır .
"Döteryum + trityum" reaksiyonu, hızlı nötronların emisyonuyla sonuçlanır . Bu nötronlar, sıfır elektrik yüküne sahip oldukları için elektromanyetik olarak sınırlandırılamazlar. Bu nedenle , bazen radyoaktif izotoplara dönüştürdükleri ( aktivasyon fenomeni ) muhafaza duvarının atom çekirdeği tarafından yakalanmaları muhtemeldir . Aktivasyon da üretimi eşlik edebilir çekirdeklerin bir helyum yapı malzemeleri zayıflatabilir. Füzyonun endüstriyel kullanımını zorlaştırabilir ve önerilen farklı çözümlerle (örneğin, kompozit malzemelerdeki duvarlar veya belirli demir alaşımlarında ) çalışmaların konusudur , ancak yürütülmesi zor olan deneysel çalışmaları gerektirir. kısa vadeli.
Nötron üreten reaksiyonlar tamamen "temiz" değildir, ancak çok daha azdır Nükleer fisyon reaksiyonlarına giren atık üreteçleri ve bu atığın ömrü çok daha düşüktür Nükleer fisyon santrallerinde oluşturulan radyoaktif ürünlerinkine göre çok daha düşüktür. .
döteryum kaynağıDöteryum büyük miktarlarda doğal olarak bulunan okyanus 33'e kadar, g / m 3 . Bu teorik kaynaklar, insan türünün milyonlarca yıldır enerji tüketimini karşılayacaktır. Gerçekten de, döteryum 1 içinde ihtiva m, 3 , potansiyel olarak 668 yanması kadar enerji sağlayabilir su t yağ elde edildi.
Çıkarma işlemi, izotopik ayırma bölgesinin ağır su ile Girdler işlemi , daha önce teknikleri.
trityum kaynağıTrityum bir trityum atomu ile ilgili 10, doğada çok nadirdir 18 3.5 hidrojen atomu kg dünyada. Bu nedenle yapay olarak hazırlanmalı ve oldukça hızlı bir şekilde kullanılmalıdır, çünkü yarı ömrü kısa olan bir radyoaktif izotop olarak doğası, üretilen doğal veya yapay trityumun yarısının 12.3 yıl içinde yok olması anlamına gelir . Böyle bir ek olarak bu, bu sınırlandırmak için zor olan , küçük atomu bu dolaşan içine çelik ve içinden geçebilir.
H bombaları ile askeri alanda füzyon kullanılmışsa , elektrik üretimi için halen sivil bir uygulama yoktur . Yalnızca çalışma prototipleri oluşturulabilir, bkz. bölüm # Projelerin ilerlemesi .
Nötron jeneratörleri gibi birkaç başka kullanım daha vardır .
Doğadaki en önemli füzyon süreci, yıldızları besleyen süreçtir . Net sonuç, dört protonun bir alfa parçacığına ( helyum-4 çekirdeği ) füzyonudur , buna iki pozitron , iki nötrino (protonlardan ikisini nötronlara dönüştürür ) ve enerji, ancak çeşitli bireysel reaksiyonlar salınır. yıldızın kütlesine göre. Daha boyutunda benzer veya daha küçük yıldızlarda Sun , proton-proton zinciri baskındır. Daha ağır yıldızlarda karbon-azot-oksijen (CNO) döngüsü en önemlisidir. Her iki tür süreç de yıldız nükleosentezi çerçevesinde yeni elementlerin yaratılmasının kökenindedir . Süpernovalardaki büyük kütleli yıldızların patlamalarında , patlayıcı nükleosentezin bir parçası olarak ağır elementlerin oluşumuna yol açan başka süreçler devreye girer .
Yıldız çekirdek sıcaklıklarında ve yoğunluklarında, füzyon reaksiyonunun hızı belirgin şekilde düşüktür. Örneğin, sıcaklık (en T ≈ 15 MK ) ve yoğunluk ( 160 gr / cm 3 ) Güneş çekirdeğin, enerji salım hızı sadece 276 olan uW / cm 3 - ısı akışı başına yaklaşık dörtte Dinlenme halindeki bir insanın birim hacmi. Bu nedenle, füzyon enerjisi üretmek amacıyla yıldızların kalbinin şartlarını laboratuvarda çoğaltmak, uygulamaya koymak tamamen imkansızdır. Reaksiyon hızları büyük ölçüde sıcaklığa (exp (- E / kT )) bağlı olduğundan, nükleer füzyon reaktörlerinde makul enerji üretim oranlarına ulaşmak için, on ila yüz kat daha yüksek sıcaklıklarda çalışmak gerekir. yıldızların kalbi, yani T - 0.1 - 1 GK (yüz milyon ila bir milyar Kelvin mertebesinde ).
İnsan tarafından gerçekleştirilen füzyonda, kullanılan yakıtın protonlardan oluşması şartı yoktur ve daha büyük kesitli reaksiyonlara erişmek için daha yüksek sıcaklıklar kullanmak mümkündür . Bu , Lawson kriterinin daha düşük bir değeri anlamına gelir ve bu nedenle reaksiyonların başlaması için daha az çaba sarf edilmesi gerekir. Reaktör yapısının radyolojik aktivasyonuna neden olduğu için endişe konusu olan nötron üretimi ise trityum üretiminin yanı sıra füzyon enerjisinin çıkarılmasına da imkan verme avantajına sahiptir . Nötron üretmeyen reaksiyonlara anötronik denir .
Bir enerji kaynağı olarak kullanılabilir olması için, bir füzyon reaksiyonunun birkaç kriteri karşılaması gerekir. O gerekir:
Çok az reaksiyon bu kriterlerin hepsini karşılar. Aşağıdakiler en büyük kesitlere sahip olanlardır :
İki ürünle reaksiyonlar için, enerji, gösterildiği gibi kütleleriyle ters orantılı olarak aralarında dağıtılır. Üç ürünle çoğu reaksiyonda, enerjilerin dağılımı değişkendir. Birden fazla ürün grubuna yol açabilecek reaksiyonlar için oranlar belirtilmiştir. Bazı aday reaksiyonlar hemen ortadan kaldırılabilir. D- 6 Li reaksiyonunun p- 11 B'ye göre hiçbir avantajı yoktur , çünkü başlaması neredeyse zor olsa da, yan 2 D- 2 D reaksiyonları yoluyla önemli ölçüde daha fazla nötron üretir . Bir p-Orada da 7 Li , reaksiyon ancak enine kesit belki dışında, daha çok küçük olduğu, T i > 1 MeV , ancak bu tür sıcaklıklarda, endotermik bir reaksiyondur, direkt olarak nötron üreten çok belirgin hale gelir. Son olarak, yalnızca tetiklenmesi zor değil, aynı zamanda 9 Be'nin kolayca iki alfa ve bir nötrona bölünmesine neden olabilen bir p- 9 Be reaksiyonu vardır .
Füzyon reaksiyonlarına ek olarak, nötronları içeren aşağıdaki reaksiyonlar, "kuru" füzyon bombalarında ve bazı planlanmış reaktörlerde trityum üretimi için önemlidir:
n 0 | + | 6 Litre | → | 3 ton | + | 4 O | ||
n 0 | + | 7 Li | → | 3 ton | + | 4 O | + | n 0 |
Bu reaksiyonların yararlılığını değerlendirmek için reaktiflere, ürünlere ve açığa çıkan enerjiye ek olarak kesit bilgileri de gereklidir. Herhangi bir füzyon cihazının koruyabileceği maksimum bir basıncı vardır ve ekonomik bir cihazın her zaman bu maksimuma yakın çalışması gerekir. Bu basınç verildiğinde, <σ v > / T 2 maksimum olacak şekilde bir sıcaklık seçilerek maksimum füzyon enerjisi elde edilir . Aynı zamanda, üç ürünün değeri sıcaklıktır nTτ ateşleme için gerekli olan minimumdur tükenen ters orantılı <σ v > / T 2 (bkz Lawson'ın kriteri ). Bu optimum sıcaklık ve <σ değeri v > / T 2 bu sıcaklıkta, aşağıdaki tabloda bu reaksiyonların bazıları için verilmiştir.
yanıcı | T [keV] | <σ v > / T 2 [ m 3 s -1 keV -2 ] |
---|---|---|
2 D- 3 T | 13.6 | 1.24 × 10 -24 |
2 D- 2 D | 15 | 1.28 × 10 −26 |
2 D- 3 O | 58 | 2,24 × 10 −26 |
p + - 6 Li | 66 | 1,46 × 10 −27 |
p + - 11 B | 123 | 3.01 × 10 −27 |
Bu reaksiyonların çoğu zincirler oluşturur. Örneğin, 3 T ve 3 He ile sağlanan bir reaktör , enerjiler "doğru" ise 2 D + 3 He reaksiyonunda kullanmak mümkün olan küçük bir 2 D oluşturur . Şık bir fikir, reaksiyonları (8) ve (9) birleştirmektir. 3 Reaksiyon (8) tarafından üretilen He , tam termalizasyondan önce reaksiyon (9) tarafından üretilen 6 Li ile reaksiyona girebilir . Böylece, termalizasyondan önce reaksiyona (8) girebilen bir proton üretilir. Ayrıntılı analiz, bu fikrin aslında çok iyi çalışmayacağını gösteriyor, ancak bu, olağan Maxwellian plazma hipotezinin uygun olmadığı bir duruma iyi bir örnek .
Yukarıdaki reaksiyonların herhangi biri prensipte füzyon enerjisi üretiminin temeli olabilir. Yukarıda tartışılan sıcaklık ve kesite ek olarak, E füzyon füzyon ürünlerinin toplam enerjisini , elektrik yüklü füzyon ürünlerinin enerjisini E ch ve izotopları dışındaki reaktanların atom numarasını Z incelemek gerekir. hidrojen.
Bununla birlikte, şartname 2 D- 2 D reaksiyonu bazı zorluklar içerir. Her şeyden önce, iki dal (2i) ve (2ii) üzerinde bir ortalama yapmak gerekir. Daha sonra, daha zor olan 3 T ve 3 He ürünlerini nasıl işleyeceğinize karar vermelisiniz . 3 T, bir döteryum plazmasında o kadar iyi “yanar” ki, onu çıkarmak neredeyse imkansızdır. 2 D- 3 He reaksiyonu çok daha yüksek bir sıcaklıkta optimaldir ve 2 D- 2 D için optimum sıcaklıkta yanma düşük olabilir; bu nedenle 3 T'nin yanacağını, ancak 3 He'nin yanmadığını ve bu şekilde salınan enerjinin reaksiyonunkine ekleneceğini varsaymak mantıklı görünüyor . Füzyon enerjisi 2 D- 2 Bu yüzden, D olacak D füzyon (4.03 17,6 + 3.27) = / 2 = 12,5 MeV ve yüklü partiküllerin D CH = = (+ 0.82 4.03 + 3, 5) / 2 4.2 MeV .
Bir başka özel bir yönü 2 D- 2 D reaksiyonu , reaksiyon oranı hesaplanırken hesaba katılması gereken bir tek reaktif, varlığıdır.
Bu seçimlere dayalı olarak, en önemli dört reaksiyonun parametreleri aşağıdaki tabloda gösterilmektedir.
yanıcı | Z | E füzyonu [MeV] | E ch [MeV] | nötroniklik |
---|---|---|---|---|
2 D- 3 T | 1 | 17.6 | 3.5 | 0.80 |
2 D- 2 D | 1 | 12.5 | 4.2 | 0.66 |
2 D- 3 O | 2 | 18.3 | 18.3 | ~ 0.05 |
p + - 11 B | 5 | 8.7 | 8.7 | ~ 0.001 |
Son sütun, nötronlar şeklinde salınan füzyon enerjisinin kesri olarak tanımlanan reaksiyonun nötronikliğine karşılık gelir. Radyasyon hasarı, biyolojik koruma, uzaktan kullanım ve güvenlik gibi nötronlarla ilgili sorunların boyutunun önemli bir göstergesidir. İlk iki reaksiyon için ( E füzyon - E ch ) / E füzyon ile verilir . Bu formülün 0'a eşit bir sonuç vereceği son ikisi için verilen değerler, termal dengede bir plazmada nötron üreten yan reaksiyonlara dayanan kabaca tahminlerdir.
Reaktifleri optimal oranlarda karıştırmak gerekir. Bu, her reaktif iyonu ve onunla ilişkili elektronların basıncın yarısına katıldığı durumdur. Toplam basıncın sabit olduğunu varsayarsak, hidrojen olmayan iyonların yoğunluğunun hidrojen iyonlarınınkinden 2 / ( Z +1) faktörü kadar düşük olduğu anlamına gelir . Bunun bir sonucu olarak, bu reaksiyonların oranı <σ değerlerinde en belirgin özelliği, aynı faktörü ile azaltılır v > / T 2 . Diğer taraftan, 2 D- 2 D reaksiyon tek bir reaktan sahip yakıt iki hidrojen izotoplarının oluşuyordu gibi, oran en yüksek olarak iki kat daha fazladır.
Bu nedenle , hidrojen dışındaki yakıtlar için, daha fazla elektrona ihtiyaç duymaları nedeniyle, yanmaya katılmadan basıncı emen (2/( Z +1)) bir "ceza" vardır . Elektron sıcaklığının ve iyon sıcaklığının pratik olarak eşit olduğunu varsaymak genellikle doğrudur. Bazı yazarlar, elektronların iyonlardan çok daha düşük bir sıcaklıkta tutulabileceğini öngörmektedir. "Sıcak iyon modları" olarak bilinen bu tür durumlarda "ceza" uygulanmaz. İçin bir 2 faktörü "prim" Benzer bulunmaktadır 2 D- 2 D reaksiyonu nedeniyle her iyon bunların sadece bir kısmı ile başka iyonlar herhangi biri ile reaksiyona girer ve gerçeğini..
Aşağıdaki tablo bu reaksiyonları karşılaştırmaktadır.
yanıcı | <σ v > / T 2 | Ceza / ikramiye | reaktivite | Lawson'ın kriteri | Güç yoğunluğu (W m -3 kPa -2 ) | Güç yoğunluğu oranı |
---|---|---|---|---|---|---|
2 D- 3 T | 1.24 × 10 -24 | 1 | 1 | 1 | 34 | 1 |
2 D- 2 D | 1.28 × 10 −26 | 2 | 48 | 30 | 0,5 | 68 |
2 D- 3 O | 2,24 × 10 −26 | 2/3 | 83 | 16 | 0,43 | 80 |
p + - 6 Li | 1,46 × 10 −27 | 1/2 | 1.700 | 0.005 | 6.800 | |
p + - 11 B | 3.01 × 10 −27 | 1/3 | 1.240 | 500 | 0.014 | 2.500 |
<σ v > / T 2'nin maksimum değeri önceki tablodan alınmıştır. "Ceza / ikramiye" faktörü, hidrojen olmayan bir reaktife veya tek bir tür üzerindeki reaksiyona bağlı olan faktördür. “Reaktivite” sütunundaki değerler, 1.24 × 10 −24'ün ikinci ve üçüncü sütunların çarpımına bölünmesiyle elde edilir ; Her bir değer göre reaksiyonlar yavaşlama faktörünü belirtmektedir 2 D 3 T reaksiyonu benzer koşullar altında gerçekleştirilir. “Lawson kriteri” sütunu bu sonuçları E ch ile ağırlıklandırır ve 2 D- 3 T reaksiyonuna kıyasla bu reaksiyonlarla ateşlemeyi sağlamanın zorluğunun bir göstergesini verir .“Güç yoğunluğu” etiketli son sütun, Pratik reaktiviteyi ağırlıklandırır tarafından D füzyon ; Bu karşı belirli bir reaksiyon için füzyon güç yoğunluğu azaltma faktörü veriyor 2 D 3 T tepkimesi ve ekonomik potansiyelinin bir ölçütü olarak görüntülenebilir.
Füzyona maruz kalan iyonlar bunu neredeyse hiçbir zaman izole olarak yapmazlar, ancak bir plazma oluşturmak üzere iyonların elektrik yükünü nötralize eden elektronlarla karıştırılırlar . Elektronlar genellikle iyonlarınkiyle karşılaştırılabilir veya daha yüksek bir sıcaklığa sahip olduklarından, onlarla çarpışırlar ve enerjisi 10 ila 30 keV ( Bremsstrahlung veya fren radyasyonu ) arasında X-ışınları yayarlar . Güneş ve yıldızlar opak için röntgen , ancak çoğu Dünya füzyon reaktörleri sahip düşük optik kalınlığı bu enerji aralığının röntgen için. Yansıma bir röntgen elde etmek zordur, ancak bunlar absorbe (ve ısıya dönüştürülür) (bir reaktör koruma parçası olan) en az 1 mm paslanmaz çelik kalınlığının edilir. Üretilen füzyon gücü ile bu kayıplar arasındaki ilişki, reaksiyonun önemli bir kalite kriteridir. Bu oranın maksimum değeri genellikle maksimum güç yoğunluğunu oluşturan sıcaklıktan çok daha yüksek bir sıcaklıkta elde edilir (önceki alt bölüme bakın). Aşağıdaki tablo, birkaç reaksiyon için yaklaşık optimum sıcaklığı ve bu sıcaklıktaki güç oranını gösterir.
yanıcı | T i (keV) | P füzyonu / P Bremsstrahlung |
---|---|---|
2 D- 3 T | 50 | 140 |
2 D- 2 D | 500 | 2.9 |
2 D- 3 O | 100 | 5.3 |
3 He- 3 He | 1000 | 0,72 |
p + - 6 Li | 800 | 0.21 |
p + - 11 B | 300 | 0,57 |
Füzyon gücü ile Bremsstrahlung gücü arasındaki gerçek oranların , çeşitli nedenlerle belirgin şekilde daha zayıf olması muhtemeldir . İlk olarak, hesaplamalar, füzyon ürünlerinin enerjisinin tamamen yakıtın iyonlarına iletildiğini ve daha sonra elektronların yararına çarpışma yoluyla kaybettiğini ve bunun da Bremsstrahlung tarafından enerjiyi kaybettiğini varsayar . Ancak füzyon ürünleri yakıt iyonlarından çok daha hızlı bir hıza sahip oldukları için enerjilerinin önemli bir kısmını doğrudan elektronlara verirler. İkincisi, plazmanın yalnızca yakıt iyonları içerdiği varsayılır. Uygulamada, oranı azaltacak önemli miktarda safsızlık iyonu vardır. Özellikle, füzyon ürünlerinin kendileri, enerjilerinden vazgeçene kadar plazmada kalmalıdır ve öngörülen muhafaza yönteminden bağımsız olarak bir süre daha orada kalacaktır. Son olarak, Bremsstrahlung dışındaki tüm enerji kaybı kanalları ihmal edilebilir olarak kabul edildi. Son iki faktör ilişkilidir. Teorik ve deneysel olarak, parçacık hapsi ve enerji hapsi yakından ilişkili görünmektedir. Enerjiyi etkin bir şekilde tutan bir muhafaza sürecinde, füzyon ürünleri artacaktır. Füzyon ürünleri verimli bir şekilde dışarı atılırsa, enerji muhafazası zayıf olacaktır.
Erime ve Bremsstrahlung güçleri arasındaki oranın maksimum olduğu sıcaklıklar , her durumda, güç yoğunluğunun maksimum olduğu ve üçlü füzyon ürününün minimum olduğu sıcaklıklardan daha yüksektir . Bu , Bremsstrahlung payının küçük olması nedeniyle 2 D- 3 T için optimum çalışma noktasını fazla değiştirmez , ancak diğer yakıtları 2 D- 3 T'ye göre güç yoğunluğunun daha da düşük olduğu ve gerekli muhafazanın daha da fazla olduğu rejimlere iter. elde etmek zor. İçin 2 D- 2 D ve 2 D 3 He tarafından kayıp Bremsstrahlung hatta bloke ciddi bir sorun teşkil etmektedir. İçin 3 He- 3 He, s + - 6 Li ve p + - 11 B ile kayıp Bremsstrahlung izotropik benzeri nötr plazma bu yakıt kullanan bir füzyon reaktörünün imkansız gerçekleştirilmesini yapmak gibi. Bu sınırlama, nötr olmayan plazmalar veya anizotropik plazmalar için geçerli değildir , ancak kendi zorlukları var.
Uzun süreli çalışma için güvenilirlik ve güvenlikle ilgili birçok zorluk vardır. Reaktör tipine göre farklılık gösterirler.
Özellikle şunlarla ilgilenirler:
2006 yılında Fransa'da ITER projesini yürütmek için alınan karardan sonra , birkaç Fransız yüksek öğretim kurumu “Füzyon Bilimlerinde Eğitim” federasyonuna katıldı. Bu eğitim, Fransız veya yabancı, plazma, füzyon ve enerji araştırmalarıyla ilgili programlara yatırım yapabilecek çok üst düzey bilim adamları ve mühendisler hazırlamayı amaçlamaktadır. Özellikle büyük ilişkili ekipmanların bilimsel ve teknik kullanımında. Bu nedenle yüksek lisans uzmanlığı, teorik, simülasyon ve deneysel yaklaşımlarla iyonize edilmiş ortamlarla ilgili tüm bilimsel ve teknolojik alanları kapsar ve plazmalar, tüm çeşitleri, ışınlama altındaki malzemeler, kriyoteknoloji ve süper iletkenlik, mikrodalgalar veya lazerler ile çok yüksek güçte ısıtma ve enstrümantasyon konusunda çok disiplinli eğitim sunar. aşırı ortamlarda. Eğitim üç ders üzerinden gerçekleştirilir: ikisi fizik odaklı ( bir yanda manyetik hapsetme ve manyetize plazmalar ile füzyon , diğer taraftan eylemsiz hapsetme ve yoğun plazmalar ile füzyon ), üçüncü bir kurs içerik olarak daha teknolojiktir. fizik ve plazma ve füzyon teknolojileri.
Belirli üniversitelerin birleşmesi ile, Fransa'da dört bölgeye yayılmış sekiz kuruluş, bu diplomayı vermek için ortak yetkiye sahiptir ve bu sitelerde paralel olarak yürütülen dersler ve Cadarache ve Bordeaux'daki öğrencilerin gruplandırılması sırasında:
Dört mühendislik okulu da ilişkilidir: