เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ พลังงานนิวเคลียร์ ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ สารานุกรมโรงเรียน. โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แสนสาหัสจะปรากฏขึ้นเมื่อใด

ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์- ปฏิกิริยาฟิชชันแบบยั่งยืนในตัวเองของนิวเคลียสหนักซึ่งมีการผลิตนิวตรอนอย่างต่อเนื่องโดยแบ่งนิวเคลียสใหม่มากขึ้นเรื่อย ๆ นิวเคลียสยูเรเนียม-235 ภายใต้อิทธิพลของนิวตรอนจะถูกแบ่งออกเป็นชิ้นส่วนกัมมันตภาพรังสีสองชิ้นที่มีมวลไม่เท่ากันซึ่งบินด้วยความเร็วสูง ไปในทิศทางที่ต่างกัน และนิวตรอนสองสามตัว ปฏิกิริยาลูกโซ่ควบคุมดำเนินการในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หรือหม้อไอน้ำนิวเคลียร์ ตอนนี้ ปฏิกิริยาลูกโซ่ควบคุมดำเนินการกับไอโซโทปของยูเรเนียม-235, ยูเรเนียม-233 (ได้มาจากทอเรียม-232), พลูโทเนียม-239 (ได้มาจากยูเรียม-238) และพลูโทเนียม-241 งานที่สำคัญมากคือการแยกไอโซโทปยูเรเนียม-235 ออกจากยูเรเนียมธรรมชาติ ตั้งแต่ขั้นตอนแรกของการพัฒนาเทคโนโลยีนิวเคลียร์ การใช้ยูเรเนียม-235 มีความสำคัญอย่างยิ่ง อย่างไรก็ตาม การได้มาในรูปแบบบริสุทธิ์นั้นเป็นเรื่องยากในทางเทคนิค เนื่องจากยูเรเนียม-238 และยูเรเนียม-235 ไม่สามารถแยกออกจากกันทางเคมีได้

50.เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ แนวโน้มการใช้พลังงานแสนสาหัส

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เป็นอุปกรณ์ที่เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์แบบควบคุมพร้อมกับการปล่อยพลังงาน เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องแรกถูกสร้างขึ้นและเปิดตัวในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2485 ในสหรัฐอเมริกาภายใต้การนำของอี. เฟอร์มี เครื่องปฏิกรณ์เครื่องแรกที่สร้างขึ้นนอกสหรัฐอเมริกาคือ ZEEP ซึ่งเปิดตัวในแคนาดาเมื่อวันที่ 25 ธันวาคม พ.ศ. 2489 ในยุโรป เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องแรกคือการติดตั้ง F-1 ซึ่งเริ่มทำงานเมื่อวันที่ 25 ธันวาคม พ.ศ. 2489 ในกรุงมอสโกภายใต้การนำของ I.V. Kurchatov ภายในปี พ.ศ. 2521 มีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ประเภทต่างๆ ประมาณร้อยเครื่องได้เปิดดำเนินการในโลกแล้ว ส่วนประกอบของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ได้แก่ แกนกลางที่มีเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ซึ่งมักจะล้อมรอบด้วยตัวสะท้อนนิวตรอน สารหล่อเย็น ระบบควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่ การป้องกันรังสี และระบบควบคุมระยะไกล ถังปฏิกรณ์อาจมีการสึกหรอ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้อิทธิพลของรังสีไอออไนซ์) ลักษณะสำคัญของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์คือกำลังของมัน กำลัง 1 เมกะวัตต์สอดคล้องกับปฏิกิริยาลูกโซ่ซึ่งมีเหตุการณ์ฟิชชัน 3·1,016 ครั้งเกิดขึ้นใน 1 วินาที การวิจัยฟิสิกส์ของพลาสมาอุณหภูมิสูงนั้นส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับโอกาสในการสร้างเครื่องปฏิกรณ์แสนสาหัส พารามิเตอร์ที่ใกล้เคียงที่สุดกับเครื่องปฏิกรณ์คือการติดตั้งประเภท tokamak ในปี พ.ศ. 2511 มีการประกาศว่าการติดตั้ง T-3 มีอุณหภูมิพลาสมาถึง 10 ล้านองศา นักวิทยาศาสตร์จากหลายประเทศมุ่งความสนใจไปที่การพัฒนาในทิศทางนี้ - ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ที่ยั่งยืนควรดำเนินการกับโทคามักที่สร้างขึ้นในฝรั่งเศสโดยความพยายามของประเทศต่างๆ ITER คาดว่าจะมีการใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แสนสาหัสอย่างเต็มรูปแบบในภาคพลังงานในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 21 นอกจากโทคามากแล้ว ยังมีกับดักแม่เหล็กประเภทอื่นๆ สำหรับกักเก็บพลาสมาที่มีอุณหภูมิสูง เช่น ที่เรียกว่ากับดักแบบเปิด เนื่องจากมีคุณสมบัติหลายประการ จึงสามารถกักเก็บพลาสมาแรงดันสูงได้ ดังนั้นจึงมีโอกาสที่ดีที่จะเป็นแหล่งนิวตรอนแสนสาหัสที่ทรงพลัง และในอนาคตจะเป็นเครื่องปฏิกรณ์แสนสาหัสแสนสาหัส

ความสำเร็จที่ประสบความสำเร็จในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาที่สถาบันฟิสิกส์นิวเคลียร์ SB RAS ในการวิจัยกับดักแบบเปิดแบบสมมาตรแกนสมัยใหม่บ่งชี้ถึงแนวทางนี้ การศึกษาเหล่านี้กำลังดำเนินอยู่ และในขณะเดียวกัน BINP กำลังทำงานเกี่ยวกับการออกแบบสิ่งอำนวยความสะดวกแห่งยุคถัดไป ซึ่งจะสามารถสาธิตพารามิเตอร์พลาสมาที่ใกล้เคียงกับพารามิเตอร์ของเครื่องปฏิกรณ์ได้แล้ว

ปฏิกิริยาฟิวชันมีดังนี้: รับนิวเคลียสของอะตอมตั้งแต่ 2 นิวเคลียสขึ้นไปและใช้แรงจำนวนหนึ่งนำมารวมกันใกล้กันจนแรงที่กระทำในระยะห่างดังกล่าวมีชัยเหนือแรงผลักคูลอมบ์ระหว่างนิวเคลียสที่มีประจุเท่ากัน ส่งผลให้เกิดการก่อตัวของ นิวเคลียสใหม่ จะมีมวลน้อยกว่าผลรวมของมวลของนิวเคลียสดั้งเดิมเล็กน้อย และความแตกต่างจะกลายเป็นพลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างปฏิกิริยา ปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาอธิบายได้ด้วยสูตรที่รู้จักกันดี E=mc² นิวเคลียสของอะตอมที่เบากว่าจะรวมตัวกันได้ง่ายกว่าในระยะที่ต้องการ ดังนั้นไฮโดรเจนซึ่งเป็นองค์ประกอบที่มีมากที่สุดในจักรวาลจึงเป็นเชื้อเพลิงที่ดีที่สุดสำหรับปฏิกิริยาฟิวชัน

พบว่าการผสมระหว่างสองไอโซโทปของไฮโดรเจน ดิวทีเรียม และทริเทียม ต้องใช้พลังงานจำนวนน้อยที่สุดสำหรับปฏิกิริยาฟิวชัน เมื่อเทียบกับพลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างปฏิกิริยา อย่างไรก็ตาม แม้ว่าดิวทีเรียม-ทริเทียม (D-T) จะเป็นหัวข้อของการวิจัยฟิวชันส่วนใหญ่ แต่ก็ไม่ได้เป็นเพียงเชื้อเพลิงที่มีศักยภาพเพียงอย่างเดียว ส่วนผสมอื่นๆ อาจผลิตได้ง่ายกว่า ปฏิกิริยาของพวกมันสามารถควบคุมได้อย่างน่าเชื่อถือมากขึ้น หรือที่สำคัญกว่านั้นคือผลิตนิวตรอนน้อยลง สิ่งที่น่าสนใจเป็นพิเศษคือปฏิกิริยาที่เรียกว่า "ไร้นิวตรอน" เนื่องจากการใช้เชื้อเพลิงดังกล่าวทางอุตสาหกรรมที่ประสบความสำเร็จจะหมายถึงการไม่มีการปนเปื้อนของสารกัมมันตภาพรังสีในระยะยาวของวัสดุและการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ ซึ่งในทางกลับกันอาจส่งผลเชิงบวกต่อสาธารณะ ความคิดเห็นและต้นทุนโดยรวมในการใช้งานเครื่องปฏิกรณ์ ซึ่งช่วยลดต้นทุนในการรื้อถอนได้อย่างมาก ปัญหายังคงอยู่ที่ปฏิกิริยาการสังเคราะห์โดยใช้เชื้อเพลิงทางเลือกนั้นรักษาได้ยากกว่ามาก ดังนั้นปฏิกิริยา D-T จึงถือเป็นเพียงขั้นตอนแรกที่จำเป็นเท่านั้น

รูปแบบของปฏิกิริยาดิวเทอเรียม-ทริเทียม

ปฏิกิริยาฟิวชันแบบควบคุมสามารถใช้ปฏิกิริยาฟิวชันประเภทต่างๆ ได้ ขึ้นอยู่กับประเภทของเชื้อเพลิงที่ใช้

ปฏิกิริยาดิวทีเรียม + ไอโซโทป (เชื้อเพลิง D-T)

ปฏิกิริยาที่เป็นไปได้ง่ายที่สุดคือดิวทีเรียม + ไอโซโทป:

2 H + 3 H = 4 He + n ที่เอาต์พุตพลังงาน 17.6 MeV (เมกะอิเล็กตรอนโวลต์)

ปฏิกิริยานี้เป็นไปได้ง่ายที่สุดจากมุมมองของเทคโนโลยีสมัยใหม่ ให้พลังงานจำนวนมาก และส่วนประกอบเชื้อเพลิงมีราคาถูก ข้อเสียของมันคือการปล่อยรังสีนิวตรอนที่ไม่พึงประสงค์

นิวเคลียสสองตัว: ดิวเทอเรียมและทริเทียมหลอมรวมกันเป็นนิวเคลียสฮีเลียม (อนุภาคอัลฟา) และนิวตรอนพลังงานสูง

²H + ³He = 4 เขา + . โดยให้พลังงานส่งออก 18.4 MeV

เงื่อนไขในการบรรลุเป้าหมายนั้นซับซ้อนกว่ามาก ฮีเลียม-3 ยังเป็นไอโซโทปที่หายากและมีราคาแพงมากอีกด้วย ปัจจุบันยังไม่มีการผลิตในระดับอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม สามารถหาได้จากไอโซโทปซึ่งผลิตในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ตามลำดับ

ความซับซ้อนของปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์สามารถแสดงลักษณะเฉพาะได้ด้วยผลิตภัณฑ์สามชนิด nTt (ความหนาแน่นโดยอุณหภูมิตามเวลาที่กักขัง) ด้วยพารามิเตอร์นี้ ปฏิกิริยา D-3He มีความซับซ้อนมากกว่าปฏิกิริยา D-T ประมาณ 100 เท่า

ปฏิกิริยาระหว่างนิวเคลียสดิวทีเรียม (DD, monopropellant)

ปฏิกิริยาระหว่างนิวเคลียสดิวทีเรียมก็เป็นไปได้เช่นกัน แต่จะยากกว่าปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับฮีเลียม-3 เล็กน้อย:

เป็นผลให้นอกเหนือจากปฏิกิริยาหลักในพลาสมา DD แล้ว ยังเกิดสิ่งต่อไปนี้ด้วย:

ปฏิกิริยาเหล่านี้เกิดขึ้นอย่างช้าๆ ควบคู่ไปกับปฏิกิริยาดิวทีเรียม + ฮีเลียม-3 และไอโซโทปและฮีเลียม-3 ที่เกิดขึ้นในระหว่างนั้นมีแนวโน้มที่จะทำปฏิกิริยากับดิวทีเรียมทันที

ปฏิกิริยาประเภทอื่น

ปฏิกิริยาประเภทอื่น ๆ ก็เป็นไปได้เช่นกัน การเลือกใช้เชื้อเพลิงขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย - ความพร้อมใช้งานและต้นทุนต่ำ ผลผลิตพลังงาน ความง่ายในการบรรลุเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาฟิวชันแสนสาหัส (อุณหภูมิหลัก) ลักษณะการออกแบบที่จำเป็นของเครื่องปฏิกรณ์ ฯลฯ

ปฏิกิริยา "ไร้นิวตรอน"

มีแนวโน้มมากที่สุดคือสิ่งที่เรียกว่า ปฏิกิริยา "ไร้นิวตรอน" เนื่องจากฟลักซ์นิวตรอนที่เกิดจากฟิวชั่นแสนสาหัส (เช่น ในปฏิกิริยาดิวทีเรียม-ทริเทียม) จะพาส่วนสำคัญของพลังงานออกไปและสร้างกัมมันตภาพรังสีเหนี่ยวนำในการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ ปฏิกิริยาดิวทีเรียม-ฮีเลียม-3 มีแนวโน้มดีเนื่องจากไม่มีผลผลิตนิวตรอน

เงื่อนไข

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ของลิเธียม-6 กับดิวทีเรียม 6 Li(d,α)α

TCB เป็นไปได้หากตรงตามเกณฑ์สองข้อพร้อมกัน:

• อุณหภูมิพลาสม่า:

style="ความกว้างสูงสุด: 98%; ความสูง: อัตโนมัติ; ความกว้าง: อัตโนมัติ;" src="/pictures/wiki/files/101/ea2cc6cfd93c3d519e815764da74047a.png" เส้นขอบ = "0">

• การปฏิบัติตามเกณฑ์ของลอว์สัน:

style="ความกว้างสูงสุด: 98%; ความสูง: อัตโนมัติ; ความกว้าง: อัตโนมัติ;" src="/pictures/wiki/files/102/fe017490a33596f30c6fb2ea304c2e15.png" border="0"> (สำหรับปฏิกิริยา D-T)

โดยที่ความหนาแน่นของพลาสมาอุณหภูมิสูงคือเวลากักเก็บพลาสมาในระบบ

ขึ้นอยู่กับมูลค่าของเกณฑ์ทั้งสองนี้ว่าอัตราการเกิดปฏิกิริยาแสนสาหัสนั้นขึ้นอยู่กับเป็นหลัก

ในปัจจุบัน ยังไม่มีการนำเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันแบบควบคุมมาใช้ในระดับอุตสาหกรรม การก่อสร้างเครื่องปฏิกรณ์เพื่อการวิจัยระดับนานาชาติ ITER อยู่ในขั้นเริ่มต้น

พลังงานฟิวชันและฮีเลียม-3

ปริมาณสำรองฮีเลียม-3 บนโลกอยู่ในช่วง 500 กิโลกรัมถึง 1 ตัน แต่บนดวงจันทร์พบในปริมาณที่มีนัยสำคัญ: มากถึง 10 ล้านตัน (ตามการประมาณการขั้นต่ำ - 500,000 ตัน) ปัจจุบันปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ที่ควบคุมได้ดำเนินการโดยการสังเคราะห์ดิวทีเรียม ²H และทริเทียม ³H ด้วยการปล่อยฮีเลียม-4 4 He และนิวตรอน "เร็ว" n:

อย่างไรก็ตาม พลังงานจลน์ที่ปล่อยออกมาส่วนใหญ่ (มากกว่า 80%) มาจากนิวตรอน จากการชนกันของชิ้นส่วนกับอะตอมอื่น พลังงานนี้จึงถูกแปลงเป็นความร้อน นอกจากนี้ นิวตรอนเร็วยังสร้างกากกัมมันตรังสีจำนวนมากอีกด้วย ในทางตรงกันข้าม การสังเคราะห์ดิวเทอเรียมและฮีเลียม-3³เขาไม่ได้ผลิตผลิตภัณฑ์กัมมันตภาพรังสี (เกือบ):

โดยที่ p คือโปรตอน

ซึ่งช่วยให้สามารถใช้ระบบที่ง่ายและมีประสิทธิภาพมากขึ้นในการแปลงปฏิกิริยาการสังเคราะห์จลน์ เช่น เครื่องกำเนิดแมกนีโตไฮโดรไดนามิก

การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์

มีการพิจารณาแผนพื้นฐานสองประการสำหรับการดำเนินการฟิวชั่นเทอร์โมนิวเคลียร์ที่มีการควบคุม

การวิจัยเกี่ยวกับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แสนสาหัสประเภทแรกได้รับการพัฒนามากกว่ารุ่นที่สองอย่างมีนัยสำคัญ ในฟิสิกส์นิวเคลียร์ เมื่อศึกษาเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชั่น จะใช้กับดักแม่เหล็กเพื่อกักเก็บพลาสมาในปริมาณหนึ่ง กับดักแม่เหล็กได้รับการออกแบบมาเพื่อไม่ให้พลาสมาสัมผัสกับองค์ประกอบของเครื่องปฏิกรณ์แสนสาหัสเช่น ใช้เป็นฉนวนความร้อนเป็นหลัก หลักการกักขังขึ้นอยู่กับอันตรกิริยาของอนุภาคมีประจุกับสนามแม่เหล็ก กล่าวคือ การหมุนของอนุภาคมีประจุรอบเส้นสนามแม่เหล็ก น่าเสียดายที่พลาสมาแม่เหล็กนั้นไม่เสถียรมากและมีแนวโน้มที่จะหลุดออกจากสนามแม่เหล็ก ดังนั้นเพื่อสร้างกับดักแม่เหล็กที่มีประสิทธิภาพ จึงต้องใช้แม่เหล็กไฟฟ้าที่ทรงพลังที่สุด ซึ่งใช้พลังงานจำนวนมหาศาล

มีความเป็นไปได้ที่จะลดขนาดของเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันได้หากใช้สามวิธีในการสร้างปฏิกิริยาฟิวชันพร้อมกัน

ก. การสังเคราะห์เฉื่อย ฉายรังสีแคปซูลเล็ก ๆ ของเชื้อเพลิงดิวทีเรียม-ทริเทียมด้วยเลเซอร์ 500 ล้านล้านวัตต์:5 10^14 วัตต์ เลเซอร์พัลส์ขนาดยักษ์ที่สั้นมากเพียง 10^-8 วินาทีนี้ทำให้แคปซูลเชื้อเพลิงระเบิด ส่งผลให้เกิดดาวดวงเล็กๆ ในเสี้ยววินาที แต่ปฏิกิริยาแสนสาหัสไม่สามารถทำได้

B. ใช้เครื่อง Z กับ Tokamak พร้อมกัน

Z-Machine ทำงานแตกต่างจากเลเซอร์ มันผ่านโครงลวดเล็กๆ ที่ล้อมรอบแคปซูลเชื้อเพลิงซึ่งมีประจุที่มีกำลังครึ่งล้านล้านวัตต์ 5.10^11 วัตต์

ถัดไป สิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นโดยประมาณกับเลเซอร์: จากการกระแทกแบบ Z ดาวจึงก่อตัวขึ้น ในระหว่างการทดสอบบน Z-Machine สามารถเกิดปฏิกิริยาฟิวชันได้แล้ว http://www.sandia.gov/media/z290.htmปิดแคปซูลด้วยเงินแล้วต่อด้วยด้ายเงินหรือกราไฟท์ กระบวนการจุดระเบิดมีลักษณะดังนี้: ยิงเส้นใย (ติดกับกลุ่มลูกบอลเงินที่มีส่วนผสมของดิวทีเรียมและไอโซโทป) เข้าไปในห้องสุญญากาศ ในระหว่างการพังทลาย (คายประจุ) ให้สร้างช่องฟ้าผ่าผ่านพวกมันและจ่ายกระแสผ่านพลาสมา ฉายรังสีแคปซูลและพลาสมาพร้อมกันด้วยรังสีเลเซอร์ และในเวลาเดียวกันหรือก่อนหน้านั้นให้เปิดเครื่องโทคัมัค ใช้กระบวนการทำความร้อนพลาสม่าสามกระบวนการพร้อมกัน นั่นคือ วางเครื่อง Z และเครื่องทำความร้อนด้วยเลเซอร์ไว้ด้วยกันภายใน Tokamak อาจเป็นไปได้ที่จะสร้างวงจรการสั่นจากคอยล์ Tokamak และจัดระเบียบเสียงสะท้อน จากนั้นมันจะทำงานในโหมดการสั่นแบบประหยัด

วงจรเชื้อเพลิง

เครื่องปฏิกรณ์รุ่นแรกมักจะทำงานบนส่วนผสมของดิวเทอเรียมและทริเทียม นิวตรอนที่ปรากฏในระหว่างการทำปฏิกิริยาจะถูกดูดซับโดยการป้องกันเครื่องปฏิกรณ์ และความร้อนที่เกิดขึ้นจะถูกนำมาใช้เพื่อให้ความร้อนแก่สารหล่อเย็นในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน และในทางกลับกัน พลังงานนี้จะถูกใช้เพื่อหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

. .

ปฏิกิริยากับ Li6 เป็นแบบคายความร้อน โดยให้พลังงานแก่เครื่องปฏิกรณ์เพียงเล็กน้อย ปฏิกิริยากับ Li7 เป็นแบบดูดความร้อน แต่ไม่ใช้นิวตรอน อย่างน้อยปฏิกิริยาบางอย่างของ Li7 ก็จำเป็นเพื่อทดแทนนิวตรอนที่สูญเสียไปจากปฏิกิริยากับองค์ประกอบอื่น ๆ การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่ใช้ส่วนผสมตามธรรมชาติของไอโซโทปลิเธียม

เชื้อเพลิงนี้มีข้อเสียหลายประการ:

ปฏิกิริยานี้ทำให้เกิดนิวตรอนจำนวนมาก ซึ่งจะกระตุ้น (ปนเปื้อนกัมมันตภาพรังสี) เครื่องปฏิกรณ์และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน จำเป็นต้องมีมาตรการเพื่อป้องกันแหล่งที่เป็นไปได้ของไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี

พลังงานฟิวชันประมาณ 20% เท่านั้นที่อยู่ในรูปของอนุภาคที่มีประจุ (ส่วนที่เหลือเป็นนิวตรอน) ซึ่งจำกัดความสามารถในการแปลงพลังงานฟิวชันเป็นไฟฟ้าโดยตรง การใช้ปฏิกิริยา D-T ขึ้นอยู่กับปริมาณสำรองลิเธียมที่มีอยู่ ซึ่งน้อยกว่าปริมาณสำรองดิวเทอเรียมอย่างมีนัยสำคัญ การได้รับนิวตรอนระหว่างปฏิกิริยา D-T มีความสำคัญมากจนหลังจากการทดสอบชุดแรกที่ JET ซึ่งเป็นเครื่องปฏิกรณ์ที่ใหญ่ที่สุดจนถึงปัจจุบันที่ใช้เชื้อเพลิงนี้ เครื่องปฏิกรณ์มีกัมมันตภาพรังสีมากจนต้องเพิ่มระบบการบำรุงรักษาระยะไกลด้วยหุ่นยนต์เพื่อทำให้รอบการทดสอบประจำปีสมบูรณ์

ตามทฤษฎีแล้ว ยังมีเชื้อเพลิงประเภทอื่นที่ไม่มีข้อเสียเหล่านี้ แต่การใช้งานของพวกเขาถูกขัดขวางโดยข้อจำกัดทางกายภาพขั้นพื้นฐาน เพื่อให้ได้พลังงานเพียงพอจากปฏิกิริยาฟิวชัน จำเป็นต้องรักษาพลาสมาที่มีความหนาแน่นเพียงพอที่อุณหภูมิฟิวชัน (10 8 K) ในช่วงเวลาหนึ่ง ลักษณะพื้นฐานของฟิวชันนี้อธิบายได้จากผลคูณของความหนาแน่นของพลาสมา n และเวลากักเก็บพลาสมาที่ให้ความร้อน τ ซึ่งจำเป็นต่อการไปถึงจุดสมดุล ผลิตภัณฑ์ nτ ขึ้นอยู่กับชนิดของเชื้อเพลิงและเป็นหน้าที่ของอุณหภูมิพลาสมา สำหรับเชื้อเพลิงทุกประเภท ส่วนผสมดิวทีเรียม-ทริเทียมต้องการค่า nτ ต่ำสุดตามลำดับความสำคัญเป็นอย่างน้อย และอุณหภูมิปฏิกิริยาต่ำสุดอย่างน้อย 5 เท่า ดังนั้นปฏิกิริยา D-T จึงเป็นขั้นตอนแรกที่จำเป็น แต่การใช้เชื้อเพลิงอื่นยังคงเป็นเป้าหมายการวิจัยที่สำคัญ

ปฏิกิริยาฟิวชั่นเป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้าทางอุตสาหกรรม

นักวิจัยหลายคนมองว่าพลังงานฟิวชั่นเป็นแหล่งพลังงาน "ธรรมชาติ" ในระยะยาว ผู้เสนอการใช้เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันเชิงพาณิชย์เพื่อการผลิตไฟฟ้าอ้างถึงข้อโต้แย้งต่อไปนี้เพื่อประโยชน์ของพวกเขา:

• ปริมาณเชื้อเพลิงสำรองที่แทบไม่สิ้นสุด (ไฮโดรเจน)
• เชื้อเพลิงสามารถสกัดได้จากน้ำทะเลบนชายฝั่งใดก็ได้ของโลก ซึ่งทำให้เป็นไปไม่ได้ที่ประเทศใดประเทศหนึ่งหรือกลุ่มประเทศจะผูกขาดเชื้อเพลิง
• ความเป็นไปไม่ได้ของปฏิกิริยาฟิวชันที่ไม่สามารถควบคุมได้
• ไม่มีผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้
• ไม่จำเป็นต้องใช้วัสดุที่สามารถนำมาผลิตอาวุธนิวเคลียร์ได้ จึงช่วยลดกรณีการก่อวินาศกรรมและการก่อการร้าย
• เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ กากกัมมันตภาพรังสีในปริมาณเล็กน้อยจะเกิดขึ้นโดยมีครึ่งชีวิตสั้น
• ปลอกนิ้วที่เต็มไปด้วยดิวทีเรียมคาดว่าจะผลิตพลังงานได้เทียบเท่ากับถ่านหิน 20 ตัน ทะเลสาบขนาดกลางสามารถให้พลังงานแก่ประเทศใดก็ได้เป็นเวลาหลายร้อยปี อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่าเครื่องปฏิกรณ์วิจัยที่มีอยู่ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ได้ปฏิกิริยาดิวทีเรียม-ทริเทียม (DT) โดยตรง ซึ่งเป็นวัฏจักรเชื้อเพลิงที่ต้องใช้ลิเธียมเพื่อผลิตไอโซโทป ในขณะที่การกล่าวอ้างพลังงานที่ไม่สิ้นสุดหมายถึงการใช้ดิวทีเรียม- ปฏิกิริยาดิวทีเรียม (DD) ในเครื่องปฏิกรณ์รุ่นที่สอง
• เช่นเดียวกับปฏิกิริยาฟิชชัน ปฏิกิริยาฟิวชันไม่ก่อให้เกิดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศ ซึ่งเป็นสาเหตุสำคัญที่ทำให้เกิดภาวะโลกร้อน นี่เป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญ เนื่องจากการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลเพื่อผลิตไฟฟ้าส่งผลให้สหรัฐอเมริกาผลิต CO 2 ได้ 29 กิโลกรัม (หนึ่งในก๊าซหลักที่ถือได้ว่าเป็นสาเหตุของภาวะโลกร้อน) ต่อผู้อยู่อาศัยในสหรัฐฯ ต่อวัน .

ค่าไฟฟ้าเมื่อเทียบกับแหล่งดั้งเดิม

นักวิจารณ์ชี้ให้เห็นว่าความเป็นไปได้ทางเศรษฐกิจของการใช้นิวเคลียร์ฟิวชันเพื่อผลิตไฟฟ้ายังคงเป็นคำถามเปิดอยู่ การศึกษาเดียวกันนี้ซึ่งจัดทำโดยสำนักงานบันทึกวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของรัฐสภาอังกฤษ ระบุว่าต้นทุนในการผลิตไฟฟ้าโดยใช้เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันน่าจะอยู่ที่ระดับต้นทุนที่สูงกว่าของสเปกตรัมต้นทุนของแหล่งพลังงานทั่วไป ส่วนใหญ่จะขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีในอนาคต โครงสร้างตลาด และกฎระเบียบ ค่าไฟฟ้าโดยตรงขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพการใช้งาน ระยะเวลาการทำงาน และต้นทุนในการรื้อถอนเครื่องปฏิกรณ์ ผู้วิพากษ์วิจารณ์การใช้พลังงานนิวเคลียร์ฟิวชันในเชิงพาณิชย์ปฏิเสธว่าเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนได้รับการอุดหนุนอย่างหนักจากรัฐบาล ทั้งทางตรงและทางอ้อม เช่น ผ่านการใช้ทางทหารเพื่อให้แน่ใจว่ามีอุปทานอย่างต่อเนื่อง สงครามอิรัก มักถูกอ้างถึงเป็นตัวอย่างที่ก่อให้เกิดความขัดแย้ง เงินอุดหนุนประเภทนี้ การบัญชีสำหรับเงินอุดหนุนทางอ้อมดังกล่าวมีความซับซ้อนมาก และทำให้การเปรียบเทียบต้นทุนที่แม่นยำแทบจะเป็นไปไม่ได้เลย

อีกประเด็นหนึ่งคือค่าใช้จ่ายในการวิจัย ประเทศต่างๆ ในประชาคมยุโรปใช้จ่ายเงินประมาณ 200 ล้านยูโรต่อปีในการวิจัย และคาดการณ์ว่าจะต้องใช้เวลาอีกหลายทศวรรษก่อนที่จะสามารถใช้นิวเคลียร์ฟิวชันทางอุตสาหกรรมได้ ผู้เสนอแหล่งไฟฟ้าทางเลือกเชื่อว่าเป็นการเหมาะสมกว่าที่จะใช้เงินทุนเหล่านี้เพื่อแนะนำแหล่งไฟฟ้าหมุนเวียน

ความพร้อมของพลังงานฟิวชันเชิงพาณิชย์

น่าเสียดายที่แม้จะมีการมองโลกในแง่ดีอย่างกว้างขวาง (นับตั้งแต่ทศวรรษ 1950 ซึ่งเป็นช่วงที่การวิจัยครั้งแรกเริ่มขึ้น) อุปสรรคสำคัญระหว่างความเข้าใจในปัจจุบันเกี่ยวกับกระบวนการนิวเคลียร์ฟิวชัน ความสามารถทางเทคโนโลยี และการใช้งานจริงของนิวเคลียร์ฟิวชันยังไม่สามารถเอาชนะได้ แต่ก็ยังไม่ชัดเจนแม้ว่าจะมีขอบเขตเพียงใด อาจจะเป็น เป็นการทำกำไรเชิงเศรษฐกิจในการผลิตไฟฟ้าโดยใช้เทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชั่น แม้ว่าความก้าวหน้าในการวิจัยจะคงที่ แต่นักวิจัยก็ต้องเผชิญกับความท้าทายใหม่ๆ อยู่ตลอดเวลา ตัวอย่างเช่น ความท้าทายคือการพัฒนาวัสดุที่สามารถทนต่อการทิ้งระเบิดด้วยนิวตรอน ซึ่งมีความรุนแรงมากกว่าเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบดั้งเดิมถึง 100 เท่า

ขั้นตอนต่อไปนี้มีความโดดเด่นในการวิจัย:

1.โหมดสมดุลหรือ "ผ่าน"(คุ้มทุน): เมื่อพลังงานทั้งหมดที่ปล่อยออกมาในระหว่างกระบวนการสังเคราะห์เท่ากับพลังงานทั้งหมดที่ใช้ในการเริ่มต้นและรักษาปฏิกิริยา ความสัมพันธ์นี้ถูกทำเครื่องหมายด้วยสัญลักษณ์ Q ความสมดุลของปฏิกิริยาแสดงให้เห็นที่ JET (Joint European Torus) ในสหราชอาณาจักรในปี 1997 (หลังจากใช้ไฟฟ้าไป 52 เมกะวัตต์เพื่อให้ความร้อน นักวิทยาศาสตร์ได้รับกำลังไฟฟ้าที่สูงกว่าที่ใช้ไป 0.2 เมกะวัตต์)

2.พลาสม่าที่ลุกโชน(พลาสมาเผาไหม้): ระยะกลางที่ปฏิกิริยาจะได้รับการรองรับเป็นหลักโดยอนุภาคอัลฟาที่เกิดขึ้นระหว่างการทำปฏิกิริยา แทนที่จะใช้ความร้อนจากภายนอก Q µ 5. ยังไม่บรรลุผล

3. การจุดระเบิด(การจุดระเบิด) : ปฏิกิริยาเสถียรที่คงตัวมันเอง น่าจะได้ค่า Q มากก็ยังไม่สำเร็จ

ขั้นตอนต่อไปในการวิจัยควรเป็น ITER (เครื่องปฏิกรณ์ทดลองเทอร์โมนิวเคลียร์ระหว่างประเทศ) ซึ่งเป็นเครื่องปฏิกรณ์ทดลองเทอร์โมนิวเคลียร์ระหว่างประเทศ ที่เครื่องปฏิกรณ์นี้ มีการวางแผนที่จะศึกษาพฤติกรรมของพลาสมาอุณหภูมิสูง (พลาสม่าที่ลุกเป็นไฟด้วย Q ~ 30) และวัสดุโครงสร้างสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ทางอุตสาหกรรม ขั้นตอนสุดท้ายของการวิจัยจะเป็นการสาธิต: เครื่องปฏิกรณ์อุตสาหกรรมต้นแบบที่จะทำให้เกิดการจุดระเบิดและความเหมาะสมในทางปฏิบัติของวัสดุใหม่จะถูกแสดงให้เห็น การคาดการณ์ในแง่ดีที่สุดสำหรับการเสร็จสิ้นระยะ DEMO: 30 ปี เมื่อพิจารณาถึงเวลาโดยประมาณในการก่อสร้างและทดสอบการใช้งานเครื่องปฏิกรณ์ทางอุตสาหกรรม เราอยู่ห่างจากการใช้พลังงานแสนสาหัสทางอุตสาหกรรมประมาณ 40 ปี

โทคามัคที่มีอยู่

โดยรวมแล้วมีการสร้างโทคามัคประมาณ 300 ตัวในโลก ที่ใหญ่ที่สุดมีดังต่อไปนี้

• สหภาพโซเวียตและรัสเซีย
  • T-3 เป็นอุปกรณ์ที่ใช้งานได้เครื่องแรก
  • T-4 - T-3 เวอร์ชันขยาย
  • T-7 เป็นการติดตั้งที่ไม่เหมือนใคร ซึ่งเป็นครั้งแรกในโลกที่มีการใช้ระบบแม่เหล็กขนาดใหญ่ที่มีโซลินอยด์ตัวนำยิ่งยวดที่ใช้ดีบุกไนโอเบตซึ่งระบายความร้อนด้วยฮีเลียมเหลว งานหลักของ T-7 เสร็จสมบูรณ์: มีการเตรียมโอกาสสำหรับโซลินอยด์ตัวนำยิ่งยวดรุ่นต่อไปสำหรับพลังงานแสนสาหัส
  • T-10 และ PLT เป็นก้าวต่อไปในการวิจัยเทอร์โมนิวเคลียร์ของโลก โดยมีขนาดเกือบเท่ากัน กำลังเท่ากัน และมีปัจจัยกักขังเหมือนกัน และผลลัพธ์ที่ได้จะเหมือนกัน: เครื่องปฏิกรณ์ทั้งสองเครื่องบรรลุอุณหภูมิฟิวชั่นแสนสาหัสตามที่ต้องการ และความล่าช้าตามเกณฑ์ของลอว์สันนั้นมีเพียงสองร้อยเท่าเท่านั้น
  • T-15 เป็นเครื่องปฏิกรณ์ในปัจจุบันซึ่งมีโซลินอยด์ตัวนำยิ่งยวดซึ่งให้ความแรงของสนามไฟฟ้าอยู่ที่ 3.6 เทสลา
• ลิเบีย
  • TM-4A
• ยุโรปและสหราชอาณาจักร
  • JET (ภาษาอังกฤษ) (Joint Europeus Tor) เป็นโทคามักที่ใหญ่ที่สุดในโลก สร้างขึ้นโดยองค์กร Euratom ในสหราชอาณาจักร ใช้ความร้อนร่วม: 20 MW - การฉีดที่เป็นกลาง, 32 MW - ไอออนไซโคลตรอนเรโซแนนซ์ เป็นผลให้เกณฑ์ของ Lawson ต่ำกว่าระดับการจุดระเบิดเพียง 4-5 เท่า
  • Tore Supra (ฝรั่งเศส) (อังกฤษ) - tokamak ที่มีคอยล์ตัวนำยิ่งยวดซึ่งเป็นหนึ่งในขดลวดที่ใหญ่ที่สุดในโลก ตั้งอยู่ที่ศูนย์วิจัย Cadarache (ฝรั่งเศส)
• สหรัฐอเมริกา
  • TFTR (ภาษาอังกฤษ) (Test Fusion Tokamak Reactor) - เครื่องปฏิกรณ์ Tokamak ที่ใหญ่ที่สุดในสหรัฐอเมริกา (ที่มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน) พร้อมการให้ความร้อนเพิ่มเติมด้วยอนุภาคที่เป็นกลางอย่างรวดเร็ว ได้รับผลลัพธ์ที่สูง: เกณฑ์ของ Lawson ที่อุณหภูมิเทอร์โมนิวเคลียร์ที่แท้จริงนั้นต่ำกว่าเกณฑ์การจุดระเบิดเพียง 5.5 เท่า ปิดทำการ 1997
  • NSTX (ภาษาอังกฤษ) (National Spherical Torus Experiment) เป็นโทคามักทรงกลม (spheromak) ปัจจุบันปฏิบัติการอยู่ที่มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน พลาสมาตัวแรกในเครื่องปฏิกรณ์ถูกผลิตขึ้นในปี 1999 สองปีหลังจากปิด TFTR

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทำงานได้อย่างราบรื่นและมีประสิทธิภาพ มิฉะนั้นอย่างที่ทราบจะเกิดปัญหา แต่เกิดอะไรขึ้นข้างใน? เรามาลองกำหนดหลักการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (นิวเคลียร์) สั้น ๆ ชัดเจนโดยมีจุดหยุด

โดยพื้นฐานแล้ว กระบวนการเดียวกันนี้เกิดขึ้นที่นั่นเช่นเดียวกับระหว่างการระเบิดของนิวเคลียร์ มีเพียงการระเบิดเท่านั้นที่เกิดขึ้นเร็วมาก แต่ในเครื่องปฏิกรณ์ทั้งหมดนี้ยืดเยื้อเป็นเวลานาน เป็นผลให้ทุกอย่างยังคงปลอดภัยและเราได้รับพลังงาน ไม่มากจนทุกสิ่งรอบตัวจะถูกทำลายในคราวเดียว แต่เพียงพอที่จะจ่ายไฟฟ้าให้กับเมือง

ก่อนที่คุณจะเข้าใจว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ได้รับการควบคุมเกิดขึ้นได้อย่างไร คุณจำเป็นต้องรู้ว่ามันคืออะไร ปฏิกิริยานิวเคลียร์ เลย

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ เป็นกระบวนการของการเปลี่ยนแปลง (ฟิชชัน) ของนิวเคลียสของอะตอมเมื่อพวกมันทำปฏิกิริยากับอนุภาคมูลฐานและรังสีแกมมา

ปฏิกิริยานิวเคลียร์สามารถเกิดขึ้นได้ทั้งจากการดูดซับและการปลดปล่อยพลังงาน เครื่องปฏิกรณ์ใช้ปฏิกิริยาที่สอง

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เป็นอุปกรณ์ที่มีวัตถุประสงค์เพื่อรักษาปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ถูกควบคุมด้วยการปล่อยพลังงาน

บ่อยครั้งที่เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เรียกอีกอย่างว่าเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณู โปรดทราบว่าไม่มีความแตกต่างพื้นฐานที่นี่ แต่จากมุมมองของวิทยาศาสตร์ การใช้คำว่า "นิวเคลียร์" ถูกต้องมากกว่า ปัจจุบันมีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หลายประเภท เหล่านี้เป็นเครื่องปฏิกรณ์อุตสาหกรรมขนาดใหญ่ที่ออกแบบมาเพื่อสร้างพลังงานในโรงไฟฟ้า เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ของเรือดำน้ำ เครื่องปฏิกรณ์ทดลองขนาดเล็กที่ใช้ในการทดลองทางวิทยาศาสตร์ มีแม้กระทั่งเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ในการแยกเกลือออกจากน้ำทะเล

ประวัติความเป็นมาของการสร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องแรกเปิดตัวในปี 1942 ซึ่งไม่ไกลนัก สิ่งนี้เกิดขึ้นในสหรัฐอเมริกาภายใต้การนำของแฟร์มี เครื่องปฏิกรณ์นี้เรียกว่า Chicago Woodpile

ในปี 1946 เครื่องปฏิกรณ์โซเวียตเครื่องแรกที่เปิดตัวภายใต้การนำของ Kurchatov ได้เริ่มดำเนินการ ร่างกายของเครื่องปฏิกรณ์นี้เป็นลูกบอลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเจ็ดเมตร เครื่องปฏิกรณ์เครื่องแรกไม่มีระบบทำความเย็นและพลังงานมีเพียงเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม เครื่องปฏิกรณ์ของสหภาพโซเวียตมีกำลังเฉลี่ย 20 วัตต์และเครื่องปฏิกรณ์แบบอเมริกัน - เพียง 1 วัตต์ สำหรับการเปรียบเทียบ: กำลังเฉลี่ยของเครื่องปฏิกรณ์พลังงานสมัยใหม่คือ 5 กิกะวัตต์ น้อยกว่าสิบปีหลังจากการเปิดตัวเครื่องปฏิกรณ์เครื่องแรก โรงไฟฟ้านิวเคลียร์เชิงอุตสาหกรรมแห่งแรกของโลกได้เปิดขึ้นในเมืองออบนินสค์

หลักการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (นิวเคลียร์)

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ใด ๆ มีหลายส่วน: แกนกลาง กับ เชื้อเพลิง และ พิธีกร , ตัวสะท้อนนิวตรอน , สารหล่อเย็น , ระบบควบคุมและป้องกัน - ไอโซโทปมักถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงในเครื่องปฏิกรณ์ ยูเรเนียม (235, 238, 233), พลูโตเนียม (239) และ ทอเรียม (232) แกนกลางคือหม้อต้มน้ำซึ่งมีน้ำธรรมดา (สารหล่อเย็น) ไหลผ่าน ในบรรดาสารหล่อเย็นอื่นๆ “น้ำหนัก” และกราไฟท์เหลวมักถูกใช้น้อยกว่า ถ้าเราพูดถึงการดำเนินงานของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ก็ถูกใช้เพื่อผลิตความร้อน กระแสไฟฟ้านั้นถูกสร้างขึ้นโดยใช้วิธีการเดียวกันกับโรงไฟฟ้าประเภทอื่น - ไอน้ำหมุนกังหันและพลังงานของการเคลื่อนที่จะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า

ด้านล่างนี้เป็นแผนภาพการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

ดังที่เราได้กล่าวไปแล้ว การสลายของนิวเคลียสยูเรเนียมหนักจะทำให้เกิดธาตุที่เบากว่าและนิวตรอนหลายตัว นิวตรอนที่เกิดขึ้นจะชนกับนิวเคลียสอื่นและทำให้เกิดฟิชชันด้วย ในขณะเดียวกัน จำนวนนิวตรอนก็เพิ่มขึ้นราวกับหิมะถล่ม

มันควรจะกล่าวถึงที่นี่ ตัวคูณการคูณนิวตรอน - ดังนั้นหากค่าสัมประสิทธิ์นี้เกินค่าเท่ากับ 1 จะเกิดการระเบิดของนิวเคลียร์ หากค่าน้อยกว่า 1 แสดงว่ามีจำนวนนิวตรอนน้อยเกินไปและปฏิกิริยาจะหมดไป แต่ถ้าคุณรักษาค่าสัมประสิทธิ์ให้เท่ากับ 1 ปฏิกิริยาจะดำเนินไปอย่างยาวนานและเสถียร

คำถามคือต้องทำอย่างไร? ในเครื่องปฏิกรณ์เชื้อเพลิงจะอยู่ในสิ่งที่เรียกว่า องค์ประกอบเชื้อเพลิง (ทเวลัค). เหล่านี้เป็นแท่งที่มีลักษณะเป็นเม็ดเล็ก ๆ เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ - แท่งเชื้อเพลิงถูกต่อเข้ากับตลับรูปทรงหกเหลี่ยม ซึ่งสามารถบรรจุได้หลายร้อยในเครื่องปฏิกรณ์ คาสเซ็ตที่มีแท่งเชื้อเพลิงจัดเรียงในแนวตั้ง และแท่งเชื้อเพลิงแต่ละอันมีระบบที่ให้คุณปรับความลึกของการแช่ลงในแกนกลางได้ นอกจากตัวคาสเซ็ตแล้วยังรวมถึง แท่งควบคุม และ แท่งป้องกันฉุกเฉิน - แท่งทำจากวัสดุที่ดูดซับนิวตรอนได้ดี ดังนั้น แท่งควบคุมจึงสามารถลดระดับลงไปที่ระดับความลึกต่างๆ ในแกนกลางได้ จึงเป็นการปรับแฟคเตอร์การคูณนิวตรอน แท่งฉุกเฉินได้รับการออกแบบมาเพื่อปิดเครื่องปฏิกรณ์ในกรณีฉุกเฉิน

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เริ่มต้นอย่างไร?

เราได้ค้นพบหลักการทำงานแล้ว แต่จะเริ่มต้นและทำให้เครื่องปฏิกรณ์ทำงานได้อย่างไร? พูดโดยประมาณ นี่คือ - ชิ้นส่วนของยูเรเนียม แต่ปฏิกิริยาลูกโซ่ไม่ได้เริ่มต้นในตัวมันเอง ความจริงก็คือในฟิสิกส์นิวเคลียร์มีแนวคิดอยู่ มวลวิกฤต .

มวลวิกฤตคือมวลของวัสดุฟิสไซล์ที่จำเป็นในการเริ่มต้นปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์

ด้วยความช่วยเหลือของแท่งเชื้อเพลิงและแท่งควบคุม มวลวิกฤตของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จะถูกสร้างขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์เป็นครั้งแรก และจากนั้น เครื่องปฏิกรณ์จะเข้าสู่ระดับพลังงานที่เหมาะสมที่สุดในหลายขั้นตอน

ในบทความนี้เราพยายามที่จะให้แนวคิดทั่วไปเกี่ยวกับโครงสร้างและหลักการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (นิวเคลียร์) หากมีข้อสงสัยในหัวข้อหรือเคยถูกถามถึงปัญหาฟิสิกส์นิวเคลียร์ของมหาวิทยาลัย กรุณาติดต่อ ถึงผู้เชี่ยวชาญของบริษัทเรา- ตามปกติเราพร้อมที่จะช่วยคุณแก้ไขปัญหาเร่งด่วนเกี่ยวกับการศึกษาของคุณ และในขณะที่เรากำลังดำเนินการอยู่ ต่อไปนี้เป็นวิดีโอเพื่อการศึกษาอีกเรื่องที่คุณอาจสนใจ!

และความสามารถในการใช้พลังงานนิวเคลียร์ทั้งเพื่อวัตถุประสงค์เชิงสร้างสรรค์ (พลังงานนิวเคลียร์) และการทำลายล้าง (ระเบิดปรมาณู) อาจกลายเป็นหนึ่งในสิ่งประดิษฐ์ที่สำคัญที่สุดของศตวรรษที่ 20 ที่ผ่านมา หัวใจของพลังที่น่าเกรงขามซึ่งแฝงตัวอยู่ในส่วนลึกของอะตอมเล็กๆ ก็คือปฏิกิริยานิวเคลียร์

ปฏิกิริยานิวเคลียร์คืออะไร

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ในฟิสิกส์หมายถึงกระบวนการอันตรกิริยาของนิวเคลียสของอะตอมกับนิวเคลียสอื่นที่คล้ายคลึงกันหรือกับอนุภาคมูลฐานต่างกัน ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบและโครงสร้างของนิวเคลียส

ประวัติเล็กน้อยของปฏิกิริยานิวเคลียร์

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ครั้งแรกในประวัติศาสตร์เกิดขึ้นโดยนักวิทยาศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่ รัทเทอร์ฟอร์ด ย้อนกลับไปในปี 1919 ระหว่างการทดลองเพื่อตรวจจับโปรตอนในผลิตภัณฑ์การสลายตัวของนิวเคลียร์ นักวิทยาศาสตร์ระดมยิงอะตอมไนโตรเจนด้วยอนุภาคอัลฟ่า และเมื่ออนุภาคชนกัน ปฏิกิริยานิวเคลียร์ก็เกิดขึ้น

และนี่คือลักษณะของสมการของปฏิกิริยานิวเคลียร์นี้ รัทเทอร์ฟอร์ดเป็นผู้ให้เครดิตกับการค้นพบปฏิกิริยานิวเคลียร์

ตามมาด้วยการทดลองมากมายของนักวิทยาศาสตร์ในการทำปฏิกิริยานิวเคลียร์ประเภทต่างๆ เช่น สิ่งที่น่าสนใจและสำคัญสำหรับวิทยาศาสตร์อย่างมากคือปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดจากการทิ้งนิวเคลียสของอะตอมด้วยนิวตรอนซึ่งดำเนินการโดยนักฟิสิกส์ชาวอิตาลีผู้โดดเด่น อี. เฟอร์มี. โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Fermi ค้นพบว่าการเปลี่ยนแปลงของนิวเคลียร์สามารถเกิดขึ้นได้ไม่เพียงแต่จากนิวตรอนเร็วเท่านั้น แต่ยังเกิดจากนิวตรอนที่เคลื่อนที่ช้าด้วยซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วความร้อน อย่างไรก็ตาม ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดจากการสัมผัสกับอุณหภูมิเรียกว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์แสนสาหัส สำหรับปฏิกิริยานิวเคลียร์ภายใต้อิทธิพลของนิวตรอนนั้นพวกมันได้รับการพัฒนาทางวิทยาศาสตร์อย่างรวดเร็วและปฏิกิริยาประเภทใดให้อ่านเพิ่มเติม

สูตรทั่วไปสำหรับปฏิกิริยานิวเคลียร์

มีปฏิกิริยานิวเคลียร์อะไรบ้างในวิชาฟิสิกส์?

โดยทั่วไป ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ทราบในปัจจุบันสามารถแบ่งออกเป็น:

• ฟิชชันของนิวเคลียสของอะตอม
• ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์

ด้านล่างเราจะเขียนรายละเอียดเกี่ยวกับแต่ละรายการ

นิวเคลียร์

ปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียสของอะตอมเกี่ยวข้องกับการแตกตัวของนิวเคลียสที่แท้จริงของอะตอมออกเป็นสองส่วน ในปี 1939 นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน O. Hahn และ F. Strassmann ค้นพบการแยกตัวของนิวเคลียสของอะตอมโดยทำการวิจัยต่อในรุ่นก่อนทางวิทยาศาสตร์ พวกเขาพบว่าเมื่อยูเรเนียมถูกถล่มด้วยนิวตรอน องค์ประกอบของส่วนตรงกลางของตารางธาตุจะเกิดขึ้น กล่าวคือ สารกัมมันตภาพรังสี ไอโซโทปของแบเรียม คริปทอน และธาตุอื่นๆ น่าเสียดายที่ความรู้นี้เริ่มแรกถูกนำมาใช้เพื่อจุดประสงค์ที่น่ากลัวและทำลายล้าง เนื่องจากสงครามโลกครั้งที่สองเริ่มต้นขึ้นและชาวเยอรมัน และในทางกลับกัน นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันและโซเวียตเร่งรีบเพื่อพัฒนาอาวุธนิวเคลียร์ (ซึ่งมีพื้นฐานมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ของยูเรเนียม) ซึ่ง จบลงด้วย “เห็ดนิวเคลียร์” อันโด่งดังเหนือเมืองฮิโรชิมาและนางาซากิของญี่ปุ่น

แต่สำหรับฟิสิกส์แล้ว ปฏิกิริยานิวเคลียร์ของยูเรเนียมในระหว่างการแยกนิวเคลียสนั้นมีพลังงานมหาศาล ซึ่งวิทยาศาสตร์สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ดังกล่าวเกิดขึ้นได้อย่างไร? ดังที่เราเขียนไว้ข้างต้น มันเกิดขึ้นจากการที่นิวตรอนถล่มนิวเคลียสของอะตอมยูเรเนียม ซึ่งทำให้นิวเคลียสแตกตัว ทำให้เกิดพลังงานจลน์ขนาดใหญ่ประมาณ 200 MeV แต่สิ่งที่น่าสนใจที่สุดคือเป็นผลจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียมจากการชนกับนิวตรอน นิวตรอนใหม่อิสระหลายตัวจะปรากฏขึ้น ซึ่งในทางกลับกันก็จะชนกับนิวเคลียสใหม่ แยกพวกมันออก และอื่นๆ เป็นผลให้มีนิวตรอนเพิ่มมากขึ้นและนิวเคลียสของยูเรเนียมก็ถูกแยกออกจากการชนกับพวกมันมากขึ้น - ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ที่แท้จริงเกิดขึ้น

นี่คือลักษณะที่ปรากฏบนแผนภาพ

ในกรณีนี้ ตัวคูณนิวตรอนจะต้องมากกว่าเอกภาพ นี่เป็นเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยานิวเคลียร์ประเภทนี้ กล่าวอีกนัยหนึ่งในแต่ละรุ่นต่อ ๆ ไปของนิวตรอนที่เกิดขึ้นหลังจากการสลายนิวเคลียสควรมีมากกว่ารุ่นก่อนหน้า

เป็นที่น่าสังเกตว่าตามหลักการที่คล้ายกัน ปฏิกิริยานิวเคลียร์ในระหว่างการทิ้งระเบิดสามารถเกิดขึ้นได้ในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียสของอะตอมขององค์ประกอบอื่น ๆ บางอย่างด้วยความแตกต่างที่นิวเคลียสสามารถถูกทิ้งระเบิดด้วยอนุภาคมูลฐานต่างๆ และ ผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยานิวเคลียร์ดังกล่าวจะแตกต่างกันไป ดังนั้นเราจึงสามารถอธิบายรายละเอียดเพิ่มเติมได้ เราต้องการเอกสารทางวิทยาศาสตร์ทั้งหมด

ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์

ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาฟิวชันนั่นคือในความเป็นจริงกระบวนการที่ตรงกันข้ามกับฟิชชันเกิดขึ้นนิวเคลียสของอะตอมไม่แบ่งออกเป็นส่วน ๆ แต่รวมเข้าด้วยกัน นอกจากนี้ยังปล่อยพลังงานจำนวนมากออกมา

ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ตามชื่อแนะนำ (เทอร์โม - อุณหภูมิ) สามารถเกิดขึ้นได้เฉพาะที่อุณหภูมิสูงมากเท่านั้น ท้ายที่สุดแล้ว เพื่อให้นิวเคลียสของอะตอมสองตัวรวมกัน พวกมันจะต้องเข้าใกล้กันมากในขณะที่เอาชนะแรงผลักทางไฟฟ้าของประจุบวก ซึ่งสิ่งนี้เป็นไปได้ด้วยการมีอยู่ของพลังงานจลน์สูง ซึ่งในทางกลับกันก็คือ เป็นไปได้ที่อุณหภูมิสูง ควรสังเกตว่าปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ไม่เกิดขึ้นไม่เพียงแต่บนดาวดวงนั้นเท่านั้น แต่ยังรวมถึงดาวดวงอื่นด้วย

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ วีดีโอ

และสุดท้าย วิดีโอเพื่อการศึกษาในหัวข้อบทความของเรา ปฏิกิริยานิวเคลียร์

นักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการฟิสิกส์พลาสมาพรินซ์ตันได้เสนอแนวคิดเกี่ยวกับอุปกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันที่มีอายุยาวนานที่สุดซึ่งสามารถทำงานได้นานกว่า 60 ปี ในขณะนี้ นี่เป็นงานที่ยาก: นักวิทยาศาสตร์กำลังดิ้นรนเพื่อทำให้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แสนสาหัสทำงานได้ไม่กี่นาทีและหลายปี แม้จะมีความซับซ้อน แต่การสร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แสนสาหัสก็เป็นหนึ่งในงานที่มีแนวโน้มมากที่สุดในด้านวิทยาศาสตร์ ซึ่งสามารถนำมาซึ่งผลประโยชน์มหาศาล เราบอกคุณถึงสิ่งที่คุณจำเป็นต้องรู้เกี่ยวกับฟิวชั่นแสนสาหัส

1. เทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชั่นคืออะไร?

อย่ากลัวกับวลีที่ยุ่งยากนี้ จริงๆ แล้วค่อนข้างง่าย ฟิวชั่นเป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ประเภทหนึ่ง

ในระหว่างปฏิกิริยานิวเคลียร์ นิวเคลียสของอะตอมจะมีปฏิกิริยาโต้ตอบกับอนุภาคมูลฐานหรือกับนิวเคลียสของอะตอมอื่น เนื่องจากองค์ประกอบและโครงสร้างของนิวเคลียสเปลี่ยนแปลงไป นิวเคลียสของอะตอมที่หนักสามารถสลายตัวออกเป็นสองหรือสามนิวเคลียสที่เบากว่า - นี่คือปฏิกิริยาฟิชชัน นอกจากนี้ยังมีปฏิกิริยาฟิวชัน: นี่คือเมื่อนิวเคลียสอะตอมเบาสองนิวเคลียสรวมกันเป็นนิวเคลียสหนักอันเดียว

ต่างจากฟิชชันนิวเคลียร์ซึ่งสามารถเกิดขึ้นได้เองหรือโดยบังคับ นิวเคลียร์ฟิวชันเป็นไปไม่ได้หากไม่มีพลังงานจากภายนอก ดังที่คุณทราบ สิ่งที่ตรงกันข้ามจะดึงดูดกัน แต่นิวเคลียสของอะตอมนั้นมีประจุบวก ดังนั้นพวกมันจึงผลักกัน สถานการณ์นี้เรียกว่าอุปสรรคคูลอมบ์ เพื่อเอาชนะแรงผลัก อนุภาคเหล่านี้จะต้องถูกเร่งความเร็วจนบ้าคลั่ง ซึ่งสามารถทำได้ที่อุณหภูมิสูงมาก หรือประมาณหลายล้านเคลวิน ปฏิกิริยาเหล่านี้เรียกว่าเทอร์โมนิวเคลียร์

2. ทำไมเราถึงต้องการฟิวชั่นแสนสาหัส?

ในระหว่างปฏิกิริยานิวเคลียร์และแสนสาหัสพลังงานจำนวนมหาศาลจะถูกปล่อยออกมาซึ่งสามารถใช้เพื่อวัตถุประสงค์ต่าง ๆ - คุณสามารถสร้างอาวุธทรงพลังหรือคุณสามารถแปลงพลังงานนิวเคลียร์เป็นไฟฟ้าและจ่ายให้กับคนทั้งโลก พลังงานสลายตัวของนิวเคลียร์มีการใช้กันมานานแล้วในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ แต่พลังงานแสนสาหัสดูสดใสกว่า ในปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ พลังงานจะถูกปล่อยออกมาสำหรับแต่ละนิวคลีออน (ที่เรียกว่านิวเคลียสที่เป็นส่วนประกอบ โปรตอน และนิวตรอน) มากกว่าในปฏิกิริยานิวเคลียร์ เช่น เมื่อใด การแยกนิวเคลียสของยูเรเนียมออกเป็นหนึ่งนิวคลีออนทำให้เกิด 0.9 MeV (เมกะอิเล็กตรอนโวลต์) และเมื่อใดในระหว่างการหลอมรวมของนิวเคลียสฮีเลียม พลังงานเท่ากับ 6 MeV จะถูกปล่อยออกมาจากนิวเคลียสของไฮโดรเจน ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงเรียนรู้ที่จะดำเนินการปฏิกิริยาแสนสาหัส

การวิจัยฟิวชั่นเทอร์โมนิวเคลียร์และการสร้างเครื่องปฏิกรณ์ทำให้สามารถขยายการผลิตที่ใช้เทคโนโลยีขั้นสูงได้ ซึ่งมีประโยชน์ในด้านอื่น ๆ ของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีขั้นสูง

3. ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์คืออะไร?

ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์แบ่งออกเป็นแบบยั่งยืน ไม่สามารถควบคุมได้ (ใช้ในระเบิดไฮโดรเจน) และแบบควบคุมได้ (เหมาะสำหรับจุดประสงค์ทางสันติ)

ปฏิกิริยาการพึ่งพาตนเองเกิดขึ้นภายในดวงดาว อย่างไรก็ตาม โลกไม่มีเงื่อนไขใดที่ปฏิกิริยาดังกล่าวจะเกิดขึ้น

ผู้คนได้ทำปฏิกิริยาฟิวชั่นแสนสาหัสที่ไม่สามารถควบคุมหรือระเบิดได้เป็นเวลานาน ในปี 1952 ระหว่างปฏิบัติการ Ivy Mike ชาวอเมริกันได้จุดชนวนระเบิดแสนสาหัสลูกแรกของโลก ซึ่งไม่มีประโยชน์ในทางปฏิบัติในฐานะอาวุธ และในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2504 ได้มีการทดสอบระเบิดแสนสาหัส (ไฮโดรเจน) ลูกแรกของโลก ("ซาร์บอมบา", "แม่ของคุซคา") ซึ่งพัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์โซเวียตภายใต้การนำของอิกอร์ คูร์ชาตอฟ มันเป็นอุปกรณ์ระเบิดที่ทรงพลังที่สุดในประวัติศาสตร์ของมนุษยชาติ: พลังงานรวมของการระเบิดตามแหล่งต่าง ๆ อยู่ระหว่าง 57 ถึง 58.6 เมกะตันของทีเอ็นที ในการระเบิดระเบิดไฮโดรเจน จำเป็นต้องได้รับอุณหภูมิสูงก่อนระหว่างการระเบิดนิวเคลียร์แบบธรรมดา จากนั้นนิวเคลียสของอะตอมจึงจะเริ่มทำปฏิกิริยา

พลังของการระเบิดระหว่างปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ไม่สามารถควบคุมได้นั้นสูงมาก และนอกจากนี้ สัดส่วนของการปนเปื้อนของสารกัมมันตรังสียังสูงอีกด้วย ดังนั้น เพื่อที่จะใช้พลังงานแสนสาหัสเพื่อสันติ จำเป็นต้องเรียนรู้วิธีควบคุมมัน

4. สิ่งที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์แบบควบคุมคืออะไร?

ถือพลาสมา!

ไม่ชัดเจน? มาอธิบายตอนนี้กันดีกว่า

ประการแรก นิวเคลียสของอะตอม ในพลังงานนิวเคลียร์จะใช้ไอโซโทป - อะตอมที่แตกต่างกันในจำนวนนิวตรอนและตามมวลอะตอม ไฮโดรเจนไอโซโทปดิวทีเรียม (D) ได้มาจากน้ำ ไฮโดรเจนหนักยวดหรือทริเทียม (T) เป็นไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีของไฮโดรเจนซึ่งเป็นผลพลอยได้จากปฏิกิริยาการสลายตัวที่เกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทั่วไป นอกจากนี้ในปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ยังใช้ไอโซโทปเบาของไฮโดรเจน - โปรเทียม: นี่เป็นองค์ประกอบเสถียรเพียงชนิดเดียวที่ไม่มีนิวตรอนในนิวเคลียส พบฮีเลียม-3 บนโลกในปริมาณเล็กน้อย แต่มีจำนวนมากในดินดวงจันทร์ (รีโกลิธ): ในยุค 80 NASA ได้พัฒนาแผนสำหรับการติดตั้งสมมุติฐานเพื่อประมวลผลรีโกลิธและปล่อยไอโซโทปอันมีค่า แต่มีไอโซโทปอีกชนิดหนึ่งที่แพร่หลายบนโลกของเรา - โบรอน-11 80% ของโบรอนบนโลกเป็นไอโซโทปที่จำเป็นสำหรับนักวิทยาศาสตร์นิวเคลียร์

ประการที่สองอุณหภูมิสูงมาก สารที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาแสนสาหัสจะต้องเป็นพลาสมาที่แตกตัวเป็นไอออนเกือบทั้งหมด - นี่คือก๊าซที่อิเล็กตรอนอิสระและไอออนที่มีประจุต่างกันลอยแยกกัน ในการเปลี่ยนสารให้เป็นพลาสมา ต้องใช้อุณหภูมิ 10 7 –10 8 K ซึ่งสูงถึงหลายร้อยล้านองศาเซลเซียส! อุณหภูมิที่สูงเป็นพิเศษสามารถทำได้โดยการปล่อยกระแสไฟฟ้ากำลังสูงในพลาสมา

อย่างไรก็ตาม คุณไม่สามารถให้ความร้อนแก่องค์ประกอบทางเคมีที่จำเป็นเพียงอย่างเดียวได้ เครื่องปฏิกรณ์ใดๆ จะระเหยทันทีที่อุณหภูมิดังกล่าว สิ่งนี้ต้องใช้แนวทางที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ปัจจุบันสามารถบรรจุพลาสมาได้ในพื้นที่จำกัดโดยใช้แม่เหล็กไฟฟ้าพลังพิเศษ แต่ยังไม่สามารถใช้พลังงานที่ได้รับจากปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ได้อย่างเต็มที่: แม้จะอยู่ภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็ก พลาสมาก็แพร่กระจายไปในอวกาศ

5. ปฏิกิริยาใดมีแนวโน้มมากที่สุด?

ปฏิกิริยานิวเคลียร์หลักที่วางแผนไว้เพื่อใช้สำหรับการควบคุมฟิวชันจะใช้ดิวเทอเรียม (2H) และทริเทียม (3H) และในระยะยาว ฮีเลียม-3 (3He) และโบรอน-11 (11B)

ปฏิกิริยาที่น่าสนใจที่สุดมีลักษณะดังนี้

1) 2 D+ 3 T -> 4 He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV) - ปฏิกิริยาดิวทีเรียม-ทริเทียม

2) 2 วัน+ 2 วัน -> 3 ครั้ง (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) 50%

2 D+ 2 D -> 3 He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) 50% - นี่คือสิ่งที่เรียกว่าดิวเทอเรียมโมโนโพรเพลแลนท์

ปฏิกิริยาที่ 1 และ 2 เต็มไปด้วยการปนเปื้อนกัมมันตภาพรังสีนิวตรอน ดังนั้นปฏิกิริยาที่ "ปราศจากนิวตรอน" จึงมีแนวโน้มมากที่สุด

3) 2 D+ 3 He -> 4 He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV) - ดิวทีเรียมทำปฏิกิริยากับฮีเลียม-3 ปัญหาคือฮีเลียม-3 นั้นหายากมาก อย่างไรก็ตาม ผลผลิตที่ปราศจากนิวตรอนทำให้ปฏิกิริยานี้มีแนวโน้มที่ดี

4) p+ 11 B -> 3 4 He + 8.7 MeV - โบรอน-11 ทำปฏิกิริยากับโปรเทียม ส่งผลให้อนุภาคแอลฟาสามารถดูดซับได้ด้วยอลูมิเนียมฟอยล์

6. จะทำปฏิกิริยาเช่นนี้ได้ที่ไหน?

เครื่องปฏิกรณ์แสนสาหัสธรรมชาติคือดาวฤกษ์ ในนั้นพลาสมาถูกยึดไว้ภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงและรังสีถูกดูดซับ - ดังนั้นแกนกลางจึงไม่เย็นลง

บนโลกปฏิกิริยาแสนสาหัสสามารถทำได้ในการติดตั้งแบบพิเศษเท่านั้น

ระบบชีพจร ในระบบดังกล่าว ดิวทีเรียมและไอโซโทปจะถูกฉายรังสีด้วยลำแสงเลเซอร์หรือลำแสงอิเล็กตรอน/ไอออนที่มีกำลังสูงเป็นพิเศษ การฉายรังสีดังกล่าวทำให้เกิดการระเบิดไมโครนิวเคลียร์แสนสาหัสเป็นลำดับ อย่างไรก็ตาม ระบบดังกล่าวไม่เกิดประโยชน์หากใช้ในระดับอุตสาหกรรม โดยใช้พลังงานไปกับอะตอมเร่งมากกว่าที่ได้จากฟิวชัน เนื่องจากอะตอมเร่งไม่ทั้งหมดจะทำปฏิกิริยา ดังนั้นหลายประเทศกำลังสร้างระบบเสมือนอยู่กับที่

ระบบเสมือนอยู่กับที่ ในเครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าว พลาสมาถูกจำกัดด้วยสนามแม่เหล็กที่ความดันต่ำและอุณหภูมิสูง เครื่องปฏิกรณ์มีสามประเภทตามการกำหนดค่าสนามแม่เหล็กที่แตกต่างกัน เหล่านี้คือโทคามักก์ ดาวกระจาย (ทอร์ซาตรอน) และกับดักกระจก

โตกมักย่อมาจาก "ห้องทอรอยด์ที่มีขดลวดแม่เหล็ก" นี่คือห้องรูปทรง “โดนัท” (พรู) ซึ่งมีขดลวดพันอยู่ คุณสมบัติหลักของโทคามักคือการใช้กระแสไฟฟ้ากระแสสลับซึ่งไหลผ่านพลาสมา ทำให้ร้อนขึ้น และสร้างสนามแม่เหล็กรอบ ๆ ตัวมันเอง

ใน ดาวฤกษ์ (torsatron)สนามแม่เหล็กนั้นถูกกักไว้โดยขดลวดแม่เหล็ก และสามารถดำเนินการได้อย่างต่อเนื่อง ซึ่งต่างจากโทคามัก

ในซ กับดักกระจก (เปิด)จะใช้หลักการสะท้อนแสง ห้องนี้ปิดทั้งสองด้านด้วย "ปลั๊ก" แม่เหล็กที่สะท้อนพลาสมา และเก็บไว้ในเครื่องปฏิกรณ์

เป็นเวลานานแล้วที่กับดักกระจกและโทคามัคต่อสู้เพื่อความเป็นอันดับหนึ่ง ในตอนแรก แนวคิดกับดักดูเหมือนง่ายกว่าและถูกกว่าด้วย ในช่วงต้นทศวรรษที่ 60 กับดักแบบเปิดได้รับการสนับสนุนอย่างล้นหลาม แต่ความไม่แน่นอนของพลาสมาและความพยายามที่ไม่ประสบความสำเร็จในการควบคุมมันด้วยสนามแม่เหล็กทำให้การติดตั้งเหล่านี้มีความซับซ้อนมากขึ้น - โครงสร้างที่ดูเรียบง่ายกลายเป็นเครื่องจักรจากนรกและเป็นไปไม่ได้ที่จะบรรลุผลสำเร็จ ผลลัพธ์ที่มั่นคง ดังนั้นในยุค 80 tokamak จึงเข้ามาอยู่ข้างหน้า ในปี พ.ศ. 2527 มีการปล่อยเครื่องบิน JET tokamak ของยุโรป ซึ่งมีราคาเพียง 180 ล้านดอลลาร์สหรัฐฯ และมีพารามิเตอร์ที่อนุญาตให้เกิดปฏิกิริยาแสนสาหัสได้ ในสหภาพโซเวียตและฝรั่งเศส tokamaks ตัวนำยิ่งยวดได้รับการออกแบบซึ่งแทบไม่ใช้พลังงานเลยในการทำงานของระบบแม่เหล็ก

7. ตอนนี้ใครกำลังเรียนรู้ที่จะดำเนินการปฏิกิริยาแสนสาหัส?

หลายประเทศกำลังสร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แสนสาหัสของตนเอง คาซัคสถาน จีน สหรัฐอเมริกา และญี่ปุ่นมีเครื่องปฏิกรณ์ทดลองของตนเอง สถาบัน Kurchatov กำลังทำงานเกี่ยวกับเครื่องปฏิกรณ์ IGNITOR เยอรมนีเปิดตัวเครื่องปฏิกรณ์สเตลลาเรเตอร์ฟิวชัน Wendelstein 7-X

สิ่งที่มีชื่อเสียงที่สุดคือโครงการ tokamak ระดับนานาชาติ ITER (ITER, เครื่องปฏิกรณ์ทดลองเทอร์โมนิวเคลียร์ระหว่างประเทศ) ที่ศูนย์วิจัย Cadarache (ฝรั่งเศส) การก่อสร้างคาดว่าจะแล้วเสร็จในปี 2559 แต่จำนวนเงินสนับสนุนทางการเงินที่จำเป็นเพิ่มขึ้น และระยะเวลาของการทดลองได้เลื่อนไปเป็นปี 2568 สหภาพยุโรป สหรัฐอเมริกา จีน อินเดีย ญี่ปุ่น เกาหลีใต้ และรัสเซีย เข้าร่วมกิจกรรม ITER สหภาพยุโรปมีส่วนแบ่งหลักในด้านการเงิน (45%) ในขณะที่ผู้เข้าร่วมที่เหลือจัดหาอุปกรณ์ไฮเทค โดยเฉพาะอย่างยิ่ง รัสเซียผลิตวัสดุและสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวด ท่อวิทยุสำหรับทำความร้อนพลาสมา (ไจโรตรอน) และฟิวส์สำหรับขดลวดตัวนำยิ่งยวดตลอดจนส่วนประกอบสำหรับชิ้นส่วนที่ซับซ้อนที่สุดของเครื่องปฏิกรณ์ - ผนังแรกซึ่งจะต้องทนต่อแรงแม่เหล็กไฟฟ้า รังสีนิวตรอนและ การฉายรังสีพลาสม่า

8. ทำไมเราถึงไม่ใช้เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันล่ะ?

การติดตั้ง Tokamak สมัยใหม่ไม่ใช่เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แสนสาหัส แต่เป็นสถาบันวิจัยที่สามารถดำรงอยู่และเก็บรักษาพลาสมาได้เพียงชั่วระยะเวลาหนึ่งเท่านั้น ความจริงก็คือนักวิทยาศาสตร์ยังไม่ได้เรียนรู้วิธีการเก็บพลาสมาในเครื่องปฏิกรณ์มาเป็นเวลานาน

ในขณะนี้ หนึ่งในความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในด้านนิวเคลียร์ฟิวชันคือความสำเร็จของนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันที่สามารถทำความร้อนก๊าซไฮโดรเจนให้สูงถึง 80 ล้านองศาเซลเซียส และรักษาเมฆพลาสมาไฮโดรเจนไว้ได้หนึ่งในสี่ของวินาที ส่วนในประเทศจีน พลาสมาไฮโดรเจนถูกทำให้ร้อนถึง 49.999 ล้านองศา และคงไว้นาน 102 วินาที นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียจากสถาบันฟิสิกส์นิวเคลียร์ G.I. Budker ในเมืองโนโวซีบีร์สค์ สามารถทำความร้อนในพลาสมาได้อย่างเสถียรจนถึงระดับ 10 ล้านองศาเซลเซียส อย่างไรก็ตาม ชาวอเมริกันเพิ่งเสนอวิธีรักษาพลาสมาไว้เป็นเวลา 60 ปี และนี่ก็น่ายินดี

นอกจากนี้ยังมีข้อถกเถียงเกี่ยวกับความสามารถในการทำกำไรของนิวเคลียร์ฟิวชันในอุตสาหกรรม ไม่ทราบว่าประโยชน์ของการผลิตไฟฟ้าจะครอบคลุมต้นทุนของนิวเคลียร์ฟิวชันหรือไม่ เสนอให้ทดลองด้วยปฏิกิริยา (เช่นละทิ้งปฏิกิริยาดิวทีเรียม - ทริเทียมหรือโมโนโพรเพลแลนท์แบบดั้งเดิมเพื่อสนับสนุนปฏิกิริยาอื่น ๆ ) วัสดุก่อสร้าง - หรือแม้แต่ละทิ้งแนวคิดเรื่องเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชั่นทางอุตสาหกรรมโดยใช้เฉพาะปฏิกิริยาแต่ละอย่างในฟิชชัน ปฏิกิริยา อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์ยังคงทำการทดลองต่อไป

9. เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันปลอดภัยหรือไม่?

ค่อนข้าง. ไอโซโทปซึ่งใช้ในปฏิกิริยาฟิวชันมีกัมมันตภาพรังสี นอกจากนี้ เซลล์ประสาทที่ถูกปล่อยออกมาอันเป็นผลมาจากการสังเคราะห์ยังฉายรังสีโครงสร้างเครื่องปฏิกรณ์อีกด้วย องค์ประกอบของเครื่องปฏิกรณ์เองก็ถูกปกคลุมไปด้วยฝุ่นกัมมันตภาพรังสีเนื่องจากการสัมผัสกับพลาสมา

อย่างไรก็ตาม เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันมีความปลอดภัยมากกว่าเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มากในแง่ของการแผ่รังสี มีสารกัมมันตรังสีในเครื่องปฏิกรณ์ค่อนข้างน้อย นอกจากนี้ การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์เองถือว่าไม่มี "รู" ที่สามารถรั่วไหลของรังสีได้ ต้องปิดผนึกห้องสุญญากาศของเครื่องปฏิกรณ์ มิฉะนั้นเครื่องปฏิกรณ์จะไม่สามารถทำงานได้ ในระหว่างการก่อสร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แสนสาหัส จะใช้วัสดุที่ทดสอบด้วยพลังงานนิวเคลียร์ และจะรักษาแรงดันที่ลดลงไว้ในสถานที่

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แสนสาหัสจะปรากฏขึ้นเมื่อใด

นักวิทยาศาสตร์มักพูดประมาณว่า “ภายใน 20 ปี เราจะแก้ไขปัญหาพื้นฐานทั้งหมด” วิศวกรจากอุตสาหกรรมนิวเคลียร์กำลังพูดถึงช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 21 นักการเมืองพูดคุยเกี่ยวกับทะเลแห่งพลังงานสะอาดสำหรับเพนนีโดยไม่ต้องยุ่งกับวันที่

วิธีที่นักวิทยาศาสตร์ค้นหาสสารมืดในส่วนลึกของโลก

เมื่อหลายร้อยล้านปีก่อน แร่ธาตุใต้พื้นผิวโลกอาจยังคงหลงเหลือร่องรอยของสสารลึกลับเอาไว้ สิ่งที่เหลืออยู่คือการไปหาพวกเขา ห้องปฏิบัติการใต้ดินมากกว่าสองโหลที่กระจายอยู่ทั่วโลกกำลังยุ่งอยู่กับการค้นหาสสารมืด

นักวิทยาศาสตร์ไซบีเรียช่วยให้มนุษย์บินสู่ดวงดาวได้อย่างไร

​วันที่ 12 เมษายน พ.ศ. 2504 ยูริ กาการินขึ้นสู่อวกาศเป็นครั้งแรก - นักบินยิ้มอย่างมีอัธยาศัยดีและ "ไปกันเถอะ!" อันร่าเริงของเขา กลายเป็นชัยชนะของจักรวาลวิทยาโซเวียต เพื่อให้เที่ยวบินนี้เกิดขึ้น นักวิทยาศาสตร์ทั่วประเทศกำลังครุ่นคิดเกี่ยวกับวิธีสร้างจรวดที่สามารถทนต่ออันตรายจากอวกาศที่ไม่รู้จัก สิ่งเหล่านี้ไม่ได้เกิดขึ้นโดยปราศจากแนวคิดของนักวิทยาศาสตร์จากสาขาไซบีเรียของ Academy of Sciences