(Soarele, ca și alte stele, este un reactor natural de fuziune, în care nucleosinteza stelară transformă elementele mai ușoare în elemente mai grele cu eliberarea energiei).
Energia de fuziune este o formă de generare a energiei prin utilizarea reacțiilor de fuziune pentru a produce căldură pentru producerea de energie electrică. Reacțiile de fuziune fuzionează două nuclee atomice mai ușoare pentru a forma un nucleu mai greu, eliberând energia. Dispozitivele concepute pentru a valorifica această energie sunt cunoscute drept reactoare de fuziune.
Reacția de fuziune are loc în mod normal într-o plasmă de deuteriu și tritiu încălzită la milioane de grade. În stele, gravitația conține acești combustibili. În afara unei stele, modul cel mai cercetat de a limita plasmă la aceste temperaturi este utilizarea câmpurilor magnetice. Provocarea majoră în realizarea energiei de fuziune este de a institui un sistem care să poată restrânge plasma suficient de mult la temperatură și densitate ridicată.
Ca sursă de energie, fuziunea nucleară are mai multe avantaje teoretice față de fisiune. Aceste avantaje includ reducerea radioactivității în funcționare și ca deșeuri, cantități mari de combustibil și creșterea siguranței. Cu toate acestea, fuziunea controlată s-a dovedit a fi extrem de dificil de produs într-o manieră practică și economică. Cercetarea în domeniul reactoarelor de fuziune a început în anii 1940, dar până în prezent, niciun design nu a produs mai multă energie de fuziune decât energia necesară pentru inițierea reacției, ceea ce înseamnă că toate modelele existente au un echilibru energetic negativ.
De-a lungul anilor, cercetătorii din domeniul fuziunii au investigat diferite concepte de confinare. Accentul precoce a fost pus pe trei sisteme principale: z-pinch, stellarator și oglinda magnetică. Proiectele de vârf actuale sunt tokamakul și confinarea inerțială prin laser. Ambele modele sunt construite la scări foarte mari, în special tokamakul ITER din Franța și laserul național de aprindere în SUA. Cercetătorii studiază, de asemenea, alte modele care pot oferi abordări mai ieftine. Dintre aceste alternative există un interes tot mai mare pentru fuziunea țintă magnetizată și pentru confinarea electrostatică inerțială.
Descriere
(Energia obligatorie pentru diferiți atomi. Fier-56 are cea mai mare valoare, făcându-l cel mai stabil. Atomii din stânga sunt susceptibili să fuzioneze, atomii din dreapta vor fi divizați.)
Mecanism
Reacțiile de fuziune apar atunci când două sau mai multe nuclee atomice se apropie destul de mult încât forța nucleară care le ține împreună depășește forța electrostatică de respingere, topindu-le în nuclee mai grele. Pentru nucleele mai ușoare decât fierul-56, reacția este exotermă, eliberând energie. Pentru nucleele mai grele decât fierul-56, reacția este endotermă, necesitând o sursă externă de energie. Prin urmare, nucleele mai mici decât fierul-56 sunt mai susceptibile de a fuziona, în timp ce cele mai grele decât fierul-56 sunt mai susceptibile de a fisiona.
Forța puternică acționează numai pe distanțe scurte. Forța electrostatică repulsivă acționează pe distanțe mai mari. Pentru a se supune fuziunii, atomii de combustibil trebuie să primească suficientă energie pentru a se apropia suficient de aproape încât forța puternică să devină activă. Cantitatea de energie cinetică necesară pentru a aduce atomii de combustibil suficient de aproape este cunoscută sub denumirea de „barieră Coulomb”. Modalitățile de a furniza această energie includ accelerarea atomilor într-un accelerator de particule sau încălzirea lor la temperaturi ridicate.
Odată ce un atom este încălzit deasupra energiei sale de ionizare, electronii lui sunt îndepărtați (ionizați), lăsând doar nucleul gol (ionul). Rezultatul este un nor fierbinte de ioni și electronii anterior atașați de ei. Acest nor este cunoscut sub numele de plasmă. Deoarece sarcinile sunt separate, plasmele sunt conductive din punct de vedere electric și controlate magnetic. Multe dispozitive de fuziune profită de acest lucru pentru a controla particulele în timp ce sunt încălzite.
Secțiunea transversală
(Rata de fuziune crește rapid cu temperatura până atinge un maxim, apoi scade treptat. Vârfurile ratei de fuziune deuteriu-tritiu scade la o temperatură mai mică (circa 70 keV sau 800 milioane kelvin) și la o valoare mai mare decât alte reacții de obicei luate în considerare pentru energia de fuziune.)
Secțiunea transversală a unei reacții, denumită σ, este măsura probabilității unei reacții de fuziune. Aceasta depinde de viteza relativă a celor două nuclee. Vitezele relativ mai mari cresc în general probabilitatea, dar probabilitatea începe să scadă din nou la energii foarte mari. Secțiunile transversale pentru numeroase reacții de fuziune au fost măsurate (în principal în anii 1970) folosind fascicule de particule.
Într-o plasmă, viteza particulelor poate fi caracterizată folosind o distribuție a probabilității. Dacă plasma este termalizată, distribuția arată ca o curbă clopot sau distribuție maxwelliană. În acest caz, este util să se utilizeze secțiunea medie a particulei peste distribuția vitezei. Acest lucru este introdus în rata de fuziune volumetrică:
Pfuziune = nAnB (||σ|| ||vA,B|| cos(θ)) Efuziune
unde: P este fuziunea este energia obținută prin fuziune, pe timp și volum, n este densitatea numărului de specii A sau B din particulele din volum, ||σ|| ||vA,B|| cos(θ) este secțiunea transversală a acestei reacții, medie peste toate vitezele celor două specii v, E este energia eliberată de acea reacție de fuziune.
Criteriul Lawson
Criteriul Lawson arată cum energia variază în funcție de temperatură, densitate, viteză de coliziune și combustibil. Această ecuație era esențială pentru analiza lui John Lawson privind fuziunea cu o plasmă fierbinte. Lawson și-a asumat un echilibru energetic, prezentat mai jos.
Prezultat = ηcaptură (Pfuziune – Pconducție – Pradiație)
unde η este eficiența, Pconducție sunt pierderi de conductie ca frunze de masă încărcate cu energie, Pradiație sunt pierderile prin radiație, deoarece energia lasă ca lumină, Prezultat este puterea netă de fuziune, Pfuziune este rata de energie generată de reacțiile de fuziune.
Norii plasmei pierd energie prin conducție și radiații. Conducția apare atunci când ionii, electronii sau neutronii influențează alte substanțe, de obicei o suprafață a dispozitivului, și transferă o parte a energiei lor cinetice către ceilalți atomi. Radiația este o energie care lasă norul ca lumină în spectrul vizibil, UV, IR sau în raze X. Radiația crește cu temperatura. Tehnologiile energetice de fuziune trebuie să depășească aceste pierderi.
Produs triplu: densitate, temperatură, timp
Criteriul Lawson susține că o mașină cu plasmă termalizată și cvasi-neutră trebuie să îndeplinească criteriile de bază pentru a depăși pierderile prin radiații, pierderile de conducție și eficiența de 30%. Acest lucru a devenit cunoscut sub numele de „produs triplu”: densitatea plasmei, temperatura și timpul de confinare. Încercările de creștere a produsului triplu au condus la direcționarea spre centrale mai mari. Centralele mai mari deplasează materialele structurale mai departe de centrul plasmei, ceea ce reduce conducția și pierderile de radiații, deoarece mai multă radiație este reflectată intern. Acest accent pe (nTτ) ca o metrică a succesului a influențat alte considerente, cum ar fi costul, dimensiunea, complexitatea și eficiența, ducând la mașini mai scumpe, cum ar fi ITER și NIF.
Comportamentul plasmei
Plasma este un gaz ionizat care conduce electricitate. În masă, este modelată folosind magnetohidrodynamica, care este o combinație a ecuațiilor Navier-Stokes care guvernează fluide și ecuațiile lui Maxwell care reglementează modul în care se comportă câmpurile magnetice și electrice. Fuziunea exploatează mai multe proprietăți plasmatice, inclusiv:
- Plasma auto-organizatoare determină câmpuri electrice și magnetice. Mișcările sale pot genera câmpuri care, la rândul lor, o pot conține.
- Plasma diamagnetică poate genera propriul câmp magnetic intern. Acest lucru poate respinge un câmp magnetic aplicat extern, făcându-l diamagnetic.
- Oglinzile magnetice pot reflecta plasma atunci când se deplasează dintr-un câmp de joasă înaltă densitate.
Captarea energiei
Au fost propuse mai multe abordări pentru captarea energiei. Cel mai simplu este de încălzit un fluid. Cele mai multe modele se concentrează asupra reacției D-T, care eliberează o mare parte din energia sa într-un neutron. Din punct de vedere electric neutru, neutronul scapă de confinare. În cele mai multe astfel de proiectări, este capturat în cele din urmă într-o „pătură” groasă de litiu care înconjoară miezul reactorului. Când este lovit de un neutron de mare energie, litiul poate produce tritiu, care apoi alimentează înapoi reactorul. Energia acestei reacții încălzește de asemenea pătura, care este apoi răcită activ cu un fluid de lucru și apoi fluidul este folosit pentru a conduce turbinele convenționale.
De asemenea, s-a propus utilizarea neutronilor pentru a genera combustibil suplimentar de fisiune într-o pătură de deșeuri nucleare, un concept cunoscut ca un hibrid fisiune-fuziune. În aceste sisteme, puterea este amplificată de evenimentele de fisiune și puterea este extrasă utilizând sisteme precum cele din reactoarele de fisiune convenționale.
Proiectele care utilizează alți combustibili, în special reacția p-B, eliberează mult mai mult din energia lor sub formă de particule încărcate. În aceste cazuri, sunt posibile sisteme alternative de extragere a energiei bazate pe mișcarea acestor sarcini. Convertirea directă a energiei a fost dezvoltată la LLNL în anii 1980 ca o metodă de menținere a unei tensiuni utilizând produsele de reacție de fuziune. Acest lucru a demonstrat eficiența captării energiei de 48%.
Lasă un răspuns