Термоядерний реактор
Санкт-петербурзький Державний Морський Технічний Університет
На тему: Термоядерний реактор.
Перевірив: Ісаков Н.Я.
Санкт-Петербург
2.Плазма та паливний цикл термоядерного реактора.
3. Фізичні основи реактора-токамака.
3.1 Умови термоядерного горіння.
3.2 Нагрів плазми.
3.3 Магнітне утримання.
3.4 Видалення продуктів реакції із плазми.
3.5 Перехід до безперервного режиму.
4. Інженерні аспекти термоядерного реактора.
4.1 Магнітна система.
4.2 Кріогенна система.
4.3. Вакуумна система.
4.4 Система енергоживлення.
4.5 Бланкет реактора.
4.6 Тритієвий контур.
4.7 Захист реактора.
4.8 Системи додаткового нагрівання плазми та підживлення її паливом.
4.9 Система керування.
5. Термоядерні реактори-токамаки та їх характеристики.
6. Термоядерний синтез завтра.
Сьогодні людство задовольняє свої потреби в енергії, головним чином спалюючи нафту, газ та вугілля. Однак запаси нафти і газу обмежені: з урахуванням зростання споживання енергії вони можуть бути значною мірою вичерпані за якісь 30-50 років. Крім того, нафта та газ – це не тільки паливо, а й цінна сировина для одержання низки хімічних продуктів, виробництва білка та інших важливих речовин.
Як же розвиватись енергетиці? Шлях оптимального її розвитку був намічений нашою країною, яка збудувала понад 40 років тому першу АЕС. Саме прискорений розвиток атомної енергетики є перспективою на майбутнє.
АЕС сьогодні використовують реакцію поділу важких ядер. Але є ще великі потенційні резерви розвитку у легких ядрах, які можуть бутиреалізовані у реакціях синтезу. Воднева бомба – це демонстрація можливості звільнення такої енергії у вигляді вибуху жахливої сили. Але незабаром фізики здійснять керований термоядерний синтез (УТС).
Не виключено, що необхідні темпи зростання виробництва енергії в перспективі буде важко підтримувати, навіть «спалюючи» у дедалі більших масштабах дешевий уран і виробляється в реакторах на швидких нейтронах плутоній. Крім того, з розвитком ядерної енергетики доведеться мати справу з великими масами радіоактивних відходів та посилення вимог до радіаційної безпеки. Сьогодні незрозуміло, як це позначиться на економіці ядерної енергетики. УТС ж, що використовує як на початковому етапі дейтерій і літій, а потім тільки дейтерій. Може стати воістину джерелом енергії, що не висікається, що дозволяє різко знизити радіаційну небезпеку.
Останні 40 років роботи з УТС ведуться широким фронтом у різних напрямках. У результаті одним із найперспективніших шляхів вирішення цієї проблеми визнано розробку систем з магнітним утриманням плазми, серед яких токамаки займають передові позиції.
Термін «токамак» було запропоновано І.М. Головіним та Н.Я. Явлінським, які, розпочавши в 50-х роках дослідження з керованих термоядерних реакцій, обрали для цієї мети вакуумну камеру у формі бублика і в ній за допомогою потужного газового розряду створили нагрітий до дуже великої температури газ – високотемпературну плазму. Для стабілізації плазми використовувалося сильне поздовжнє магнітне поле. Від перших складів назв основних компонентів установки - Тороїдальна камера з МАГнітним полем - і було утворено слово "токамак" (при цьому дзвінка приголосна Г була замінена на глуху К)
2. Плазма та паливний цикл термоядерного реактора:
ЦільУТС – забезпечити перебіг реакції злиття легких ядер. Найбільший інтерес із цієї точки зору становлять реакції за участю ізотопів водню; дейтерію і тритію (DT-цикл) або одного дейтерію (DD-цикл).
У першому випадку народжуються a-частка з енергією 3,5 МеВ та нейтрон з енергією 14,1 МеВ
У другому - з рівною ймовірністю утворюється ядро
Енергія, що виділяється в різних реакціях синтезу, змінюється в кілька разів, тоді як їх перерізи, або ймовірності (залежать від енергії взаємодіючих частинок), відрізняються більш істотно. Так, максимальний переріз DT-реакції перевищує відповідну величину для DD-реакції більш ніж 50 разів.
Крім того, енергія часток, що стикаються (температура плазми), при якій досягається цей максимум, для першої реакції приблизно в 10 разів нижче, ніж для другої. З цього погляду DT-реакція більш краща і реалізується легше (при менших значеннях температури та щільності плазми), так що в даний час концепція УТС виходить із використання DT-суміші.
Однак третій – нестабільний (відсутній у природних умовах) та дуже дорогий елемент. Його необхідно відтворювати у самому реакторі. Тому надалі, після відпрацювання необхідних систем, єдиним паливом для реактора стане незмірно дешевший і доступніший дейтерій.
Інтенсивність ядерної реакції, тобто. число актів взаємодії в одиниці обсягу за одиничний проміжок часу, сильно залежить від енергії ядер, що стикаються. Тому для здійснення УТС потрібно нагріти DT-суміш до дуже високої температури близько 100 млн. градусів. Будь-яка речовина при таких температурах є плазмою. Однак навіть така величезна сама по собі не гарантує успіху, бо інтенсивність термоядерного синтезу визначаєтьсяяк температурою плазми, а й її щільністю. Так, для найбільш ймовірної DT-реакції щільність плазми в термоядерному реакторі при зазначеній температурі повинна бути не меншою.
Оскільки тритій немає у природі, його слід відтворювати у процесі роботи реактора. Для цього передбачена спеціальна оболонка, що оточує робочу камеру і називається бланкет термоядерного реактора. Бланкет виготовляють із матеріалу, що містить літій, т.к. тритій утворюється у реакції
Теплотворна здатність термоядерного палива в багато разів вища, ніж у звичайного, а й у ядерного палива АЕС. Справді, при синтезі 1 р. DT-суміші виділяється приблизно 20 млн. разів більше енергії, ніж із згорянні 1 р. вугілля, й у 8 разів більше, як із повному розподілі 1 р. урану.
За складом бланкета термоядерні реактори поділяються на «чисті» та гібридні. У бланкеті чистого реактора відтворюється лише тритій. У гібридному реакторі Бланкет поряд з літієм містить вихідні матеріали для отримання діляться нуклідів -
В обох випадках теплова енергія, що виділяється в бланкеті, йде на нагрівання теплоносія і перетворюється на електричну так само, як на АЕС. У чистому термоядерному реакторі єдина корисна «продукція» - це електроенергія, а в гібридному реакторі до неї додаються нукліди, що діляться.
3. Фізичні основи реактора-токамака:
3.1 Умови термоядерного горіння.
У «горючій» суміші, що містить рівні кількості дейтерію і тритію, термоядерне полум'я «спалахує» при температурі понад 50 млн. градусів. Нагрівання плазми до такої температури є хоч і важким, але цілком вирішальним завданням: адже щільність плазми в реакторі приблизно в 100 тис. разів менша за щільність газу при атмосферному тиску.
Для інтенсивного перебігу реакції синтезу в токамаку потрібно, щоб плазма займала досить великий обсяг. Лише в цьому випадку частинки та випромінювання не встигнуть вийти з плазми раніше, ніж відбудеться необхідне для підтримки керованої реакції кількість одиничних актів синтезу. Математично це можна виразити так: добуток щільності плазми n на характерний час