Den nukleare fusion (eller termonuklear ) er den proces, hvor to atomkerner kombineres for at danne en tungere kerne. Denne reaktion forekommer naturligt i solen og de fleste stjerner i universet , hvor alle andre kemiske grundstoffer end brint og det meste af helium skabes . Det er sammen med nuklear fission en af de to hovedtyper af anvendte nukleare reaktioner .
Kernefusion afgiver en kolossal mængde energi pr. Masseenhed, der skyldes tiltrækning mellem nukleoner på grund af den stærke interaktion (se nuklear bindingsenergi ). Massen af produktet / produkterne fra en fusionsreaktion er mindre end summen af masserne af de smeltede kerner, forskellen omdannes til kinetisk energi (derefter til varme ) ifølge Einsteins formel E = mc 2 .
Kernefusion anvendes i H-bomber og mere anekdotisk i neutrongeneratorer . Det kunne bruges til produktion af elektricitet , som det har to store fordele for:
På trods af forskning udført over hele verden siden 1950'erne er der endnu ikke opnået nogen industriel anvendelse af fusion til elproduktion. Ingeniører står over for udfordringen med at skabe og opretholde en temperatur på flere millioner grader i et begrænset rum.
Kernefusion har intet at gøre med at smelte kernen i en atomreaktor , hvilket er en særlig frygtelig atomulykke .
Opdagelsen af de fusionsreaktioner startdato for XX th århundrede. Efter nogle eksperimenter foreslog astrofysiker Arthur Eddington i 1920, at stjernernes energi skyldes fusionen af brintkerner i helium . I 1934 udførte Ernest Rutherford den første fusionsreaktion i laboratoriet (mellem deuteriumatomer ).
I 1938 resulterede arbejdet i Hans Bethe og Carl Friedrich von Weizsäcker i Weizsäcker's formel , som giver en omtrentlig værdi af bindingsenergien mellem nukleoner i atomkernen . Fra denne formel forestiller de sig de reaktioner, der finder sted inde i stjernerne. I 1950 studerede George Gamow dem, der kan have fundet sted lige efter Big Bang . Især analyserer han kvantetunneleffekten som gør det muligt at forklare hyppigheden af nukleonfusionsreaktioner, der forekommer i stjerner.
I 1940'erne viste disse undersøgelser, at de elementer, der blev produceret i en fusionsreaktion, var meget mindre talrige og havde en signifikant kortere halveringstid end affaldet fra kernefission , for ikke at nævne, at de naturlige ressourcer til fusion var tilgængelige i gigantiske mængder. Fusionen skabt i stjernerne takket være den meget stærke tyngdekraft betragtes derefter på Jorden ved hjælp af magnetfelter , en proces kaldet magnetisk fusion .
I 1946 indgav de britiske fysikere George Paget Thomson og Moses Blackman det første patent på en kernefusionsreaktor. De tilbyder et torisk formet vakuumkammer til at begrænse et plasma . Opfundet i begyndelsen af 1950'erne af sovjetiske fysikere Igor Tamm og Andrei Sakharov efter en original idé af fysiker Oleg Lavrentiev , kommer akronymet tokamak fra russisk og oversættes til "toroidkammer med magnetiske spoler".
På grund af den kolde krig lancerede flere lande deres forskning isoleret og i størst hemmeligholdelse ( USA , USSR , England , Frankrig , Tyskland og Japan ).
I januar 1958 annoncerede englænderne, at de havde fået neutroner fra fusionsreaktioner: kontroller viser, at disse neutroner faktisk kommer fra plasmaets ustabilitet. Denne fiasko fremkalder den samlede forskning på globalt plan, der blev annonceret i september samme år i Genève under kongressen for Atoms for Peace-programmet (“Atomer for fred”). I 1968 tillod to russiske tokamaks, T3 og TM3, et plasma at overstige temperaturen med ti millioner grader Celsius i 20 millisekunder. Denne forskningslinje anses derfor for at være den mest lovende.
Udsigten til en næsten uudtømmelig energikilde vækker misundelse, mens det første oliechok og den demografiske prognose viser, at ressourcerne er usikre i lyset af det voksende energibehov. Årene 1970-1980 var stedet for et hektisk løb om eksperimentel forskning, og der blev brugt betydelige summer uden at opnå en positiv energibalance; USA bruger op til 500 millioner dollars om året på dette. De fleste af kreditterne er til udvikling af stadig mere magtfulde tokamaks. Andre forskningsområder udforskes. Det inertiale indeslutningslaserplasma opleves med effektlasere, den radiale indespærringssolenoid overvejes ( feltomvendt konfiguration (in) , FRC), eksperimenter med lav effektindeslutning ved selvorganisering af plasmaet på grund af dets magnetohydrodynamiske egenskaber i et sfærisk volumen eller sfæromak realiseres.
I 1990'erne blev fremtiden for den traditionelle tokamak mørkere på grund af bevidstheden om dens grænser for ydeevne. Dette udtrykkes ved plasma β (beta) -forholdet, defineret som forholdet mellem plasmatryk og magnetisk tryk . På det tidspunkt blev magnetisk indespærring betragtet som den eneste måde at vente på de temperaturer, der var nødvendige for at opnå fusionsreaktioner, der tillod en positiv energibalance. Det er enstemmigt aftalt, at denne faktor ikke kan overstige 5%, hvilket indebærer at bruge en masse energi på at gøre magneter mere og mere kraftfulde. Forskningsmidler tørrer op. ITER- projektet ser, at dets opførelsesbudget er tidoblet, og forsinkelser ganges. I 1997 satte den første "moderne" sfæriske tokamak , START (en) , en ny rekord, hvilket bragte den toroidale β til 38%. I Tyskland udføres en anden forskningslinje, en variation omkring tokamak, med opførelsen af en stellator , Wendelstein 7-X , et projekt fra 1994, men endelig leveret i 2015.
Håbet genfødes, ITER-projektet starter endelig, og byggeriet startes i 2011. De første plasmaer er planlagt til 2025. Vi tænker allerede på perioden efter ITER, der foregriber nye mere kompakte og kraftfulde enhedsdesign. Flere designs af sfærisk tokamak til demonstration ( Sfærisk Tokamak til energiproduktion (en) ) foreslås, og private virksomheder kommer i løbet.
det 4. december 2020, Starter Kina den mest effektive af sine tokamaks, HL-2M . Beliggende i Sichuan- provinsen er det en del af ITER-programmet.
En kernefusionsreaktion kræver, at to atomkerner interpergerer. Til dette skal kernerne overvinde den intense frastødning på grund af deres elektriske ladninger, begge positive (et fænomen kendt som " Coulomb-barrieren "). Hvis kun lovene for klassisk mekanik blev anvendt, ville sandsynligheden for at opnå kernefusion være meget lav på grund af den ekstremt høje kinetiske energi (svarende til termisk omrøring ), der kræves for at krydse barrieren. Imidlertid forudsiger kvantemekanik , hvilket er sandt i praksis, at Coulomb-barrieren også kan krydses ved tunnelering ved lavere energier.
De krævede energier til fusion forbliver meget høje, svarende til temperaturer på adskillige titusinder eller endda hundreder af millioner grader Celsius afhængigt af kernenes art (se nedenfor: fusionsplasmaer ). Inden for solen finder f.eks. Fusionen af brint , som resulterer i etaper i produktionen af helium , sted ved temperaturer i størrelsesordenen femten millioner Kelvin , men efter reaktionsmønstre. Forskellig fra dem, der er undersøgt for produktion af fusionsenergi på Jorden. I nogle mere massive stjerner tillader højere temperaturer fusion af tungere kerner.
Når to kerner fusionerer, ender den resulterende kerne i en ustabil tilstand og skal vende tilbage til en stabil tilstand med lavere energi og skubber en eller flere partikler ud ( foton , neutron , proton , heliumkerne afhængigt af reaktionstypen). Den overskydende energi fordeles mellem kernen og partiklerne, der udsendes i form af kinetisk energi .
Fra et kommercielt driftsperspektiv, så at fusionen kan være energisk rentabel, er det nødvendigt, at den producerede energi er større end den energi, der forbruges til opretholdelse af reaktionerne og ved termiske tab til det eksterne miljø. I fusionsreaktorer er det således nødvendigt at undgå enhver kontakt mellem reaktionsmediet og miljømaterialerne, hvilket opnås ved immateriel indeslutning ( magnetisk eller inertial ).
De fusionsreaktioner, der afgiver mest energi, er dem, der involverer de letteste kerner. Således er deuteriumkernerne 2
1H (a p + proton og en n neutron ) og tritium 3
1H (en proton og to neutroner) er involveret i følgende reaktioner (hvor 3
2Han er helium 3 og4
2Han helium 4 ):
Hvis nuklear fission har været kontrolleret i lang tid til produktion af elektricitet , er dette ikke tilfældet for fusion.
Denne reaktion er vanskelig at opnå, fordi det er nødvendigt at samle to kerner, som naturligt har en tendens til at afvise hinanden. At mestre fusionen af lette kerner, såsom deuterium , på Jorden , ville give adgang til energiressourcer i mængder, som den menneskelige art aldrig tidligere er stødt på, og ville producere meget mindre nukleart affald end fission. Denne betydelige andel har fået de nationale og internationale videnskabelige samfund til at lancere flere store projekter.
Der er forskellige tænkelige metoder til at nå frem til begrænsning af reaktionsmediet for at frembringe nukleare fusionsreaktioner, herunder fusion ved magnetisk indeslutning og inertial indeslutningsfusion .
I disse konfigurationer følger de partikler, der udgør plasmaet, en bane afhængigt af deres magnetohydrodynamiske egenskaber og linjerne i et magnetfelt genereret af selve plasmaet eller af magneter. Partiklerne vender således tilbage til deres udgangsposition (lukket konfiguration) eller følger en sti, der fører dem til at forlade enheden (åben konfiguration).
Den toriske tokamakDen tokamakken er den foretrukne kandidat for udviklingen af et kraftværk til produktion af elektricitet ved kontrolleret fusion. Det fungerer på princippet om varmeveksling og varmeoverførselsvæske .
Det første trin er at demonstrere med den eksperimentelle ITER- reaktor , at den energi, der produceres af fusionsreaktionerne, er større end den energi, der forbruges for at opretholde plasmaet under forhold.
Den sfæriske tokamakDen sfæriske tokamak er magnetiske indeslutningsanordninger til at udføre fusionsreaktioner i plasma-nukleoner meget mere effektivt end traditionelle tokamak-ringe.
Nuværende eksperimenter bekræfter potentialet i sfæriske tokamaks. Alle effektivitetsmarkører er af en rækkefølge ti gange større end den traditionelle tokamak.
StellatorenI en stellator opnås indeslutningen af plasmaet fuldstændigt ved hjælp af et spiralformet magnetfelt genereret af det komplekse arrangement af spoler omkring torusen . Målet er at kontrollere banen for hver partikel, hvilket er umuligt i en traditionel torisk tokamak på grund af torusens geometri: for at udføre en drejning bevæger partiklerne inde i torus en kortere afstand end dem på ydersiden. torus. Eksempel på en stellator: Wendelstein 7-X .
SfæromakSfærisk form følger sfæromak et princip om selvorganisering af plasmaet takket være dets magnetohydrodynamiske egenskaber. Plasmastrømmen genererer ved sin form et magnetfelt, som igen styrker og stabiliserer det. Nogle enheder er hybrider af sfæromak og sfærisk tokamak ( f.eks. Proto-Sphera).
Den canadiske opstart General Fusion , der udvikler en prototype sfæromak i Vancouver med støtte fra investorer, herunder den britiske regering og Jeff Bezos , annoncerer17. juni 2021at det vil bygge sin første demonstrant fra 2022 til 2025 på den britiske atomenergiorganisations campus i Culham, det vestlige London. Anlæggets kraft vil være 115 MW .
Åbn konfigurationerEnhederne fælde magnetiske spejle og felt-omvendt konfiguration (en) (FRC) kunne anvendes til rummet fremdrift typen elektrisk .
Opvarmning i fusion ved magnetisk indespærringForskellige midler er tilgængelige for fusionsfysikere til at opvarme deuterium og tritiumplasma.
Et første middel består af et system, der gør det muligt at generere en intens elektrisk strøm i plasmaet. For så vidt som elektroder forurener plasmaet, inducerer forskerne denne strøm takket være et variabelt magnetfelt, enten stigende eller faldende. Således har den inducerede strøm grænser.
Det er også muligt at opvarme plasmaet ved hjælp af en stråle af neutrale atomer . Disse er i en separat enhed ioniseret for at kunne accelereres af et elektrisk felt . De neutraliseres derefter ved at fastgøre deres elektroner igen og derefter injiceres i plasmaet. Disse atomer skal nødvendigvis være neutrale, da ioner vil blive afbøjet af det afgrænsende felt og ikke ville være i stand til at få adgang til plasmacentret. Når de er i centrum af sidstnævnte, ioniserer de neutrale atomer igen, og på grund af deres overskydende kinetiske energi sammenlignet med tritium og deuterium opgiver de en del af deres energi i midten ved kollisioner. Disse neutrale atomer er i sig selv tritium og deuterium. De sikrer derfor også brændstoftilførslen .
På denne måde bringes energien af en stråle af laserlys eller af en stråle af ladede partikler (elektroner eller ioner) til en brændstofkugle med et par millimeter i diameter. Ionisering og hurtig opvarmning af målets ydervæg fører til en ekspansion af plasmaet med en hastighed svarende til ca. c / 1000 ( c betegner lysets hastighed i vakuum, dvs. ca. 3 × 108 m / s ) . Dette resulterer i udseendet af en centripetal chokbølge, som vil koncentrere deuterium-tritiumbrændstof i midten af målet i en diameter, der er cirka ti gange mindre end den oprindelige diameter. Vi taler om raketeffekt for at kvalificere denne konvergens af målets masse i modsætning til udvidelsen af det perifere plasma (princippet om gensidige handlinger i Newtons tredje lov ). Denne kompression fører til både fortætning af det brændbare medium (ca. 1000 gange, dvs. 10 × 10 × 10) for at give en densitet, der ikke er tilgængelig på Jorden , nemlig 10 26 , og en temperatur på ca. ti millioner grader. Disse forhold fører til et meget stort antal fusionsreaktioner, der varer ca. 10 picosekunder .
Status for de vigtigste kontrollerede kernefusionsprojekter (oktober 2014):
Projekt | Kategori | Dato for idriftsættelse | Resultater | Stødte på vanskeligheder | Kommentarer |
---|---|---|---|---|---|
Commonwealth Fusion Systems | Tokamak | 2025 | (projekt under opførelse) | ||
ITER | Tokamak | 2025 | Ikke relevant
(projekt under opførelse) |
Byggetid,
budget overskredet |
Internationalt projekt (35 lande), der er en del af en langsigtet tilgang rettet mod industrialisering af nuklear fusion, hvis mål er at nå Q = 10 (ti gange mere produceret energi end forbrugt). Efter 1 st opstart, vil maskinen lukke tid til at forberede den næste fase (plasmaer ved nominel effekt), hvorefter fase og til kernekraft til 2035. |
Fælles europæisk Torus | Tokamak | 1989 | Q = 0,65 (i dag det bedste forhold mellem produceret kraft og energi induceret af nuklear fusion). | Ikke relevant | Største eksisterende funktionelle Tokamak, frugt af et samarbejde mellem forskellige europæiske nationale laboratorier. Siden 2004 gennemgår opdateringsarbejder for at øge dets kapacitet til at deltage i udviklingen af ITER- projektet . |
MAST-U (in) | Sfærisk Tokamak | 2019 | nuværende rekord for toroidal beta ved 38% | Ikke relevant | Den største sfæriske tokamak, der er i drift i dag, og venter på, at NSTX-U (in) er repareret. Dens nuværende funktioner er at prøve divertor konfigurationer for ITER |
Wendelstein 7-X | Stellarator | 2015 | I testfasen - de første resultater viser, at specifikationerne for specifikationerne er nået. | Ikke relevant |
|
Z-maskine | Aksial belastning | 2010 | Fusion udført i 2014. Temperatur tre gange lavere end ITER. | Reaktionshastighed 10.000 gange for lav til at opnå et udbytte Q > 1 | Amerikansk privat program udviklet af Lockheed Martin i laboratorierne i datterselskabet Sandia (fortrolighedshensyn). Det er en simulator, hvis fusionseksperimenter kun er en del af dets anvendelighed. |
CFR (en) | Magnetisk fælde | Ikke relevant | Teoretiske fremskridt. Systemets potentielle kompakthed. | Fuzzy fremskridt, ingen fungerende prototype | Amerikansk privat program. Lockheed Martin ønsker at udvikle en prototype på kort sigt. |
Megajoule Laser | Laserindeslutning | 2014 | Ikke relevant | Finansiering | Det primære mål er at være en simulator til erstatning af konventionelle nukleare test. Produktion af energi er kun en sekundær forskningslinje. |
Temperatur nået
Plasma vedligeholdelsestid
Kernefusionskraft
Ved den temperatur, hvor fusion sandsynligvis vil forekomme, er stof i plasma- tilstand .
Det er en bestemt tilstand af råmateriale, hvor atomer eller molekyler danner en ioniseret gas .
En eller flere elektroner fra elektronskyen, der omgiver hver kerne, er blevet revet væk og efterlader positivt ladede ioner og frie elektroner, idet det hele er elektrisk neutralt.
I et termisk plasma frembringer den store omrøring af ioner og elektroner adskillige kollisioner mellem partiklerne. For at disse kollisioner skal være tilstrækkelig voldelige og forårsage fusion, er der involveret tre størrelser: temperaturen T , densiteten N og indespærringstiden τ .
Den Lawson kriterium , at forholdet mellem energi og tabt energi skal nå en vis tærskel for rentabel system. Den antændelse sker på et højere stadie af energiproduktionen , stadig umuligt at skabe i eksisterende reaktorer. Dette er den tærskel, hvorfra reaktionen er i stand til selvbærende. For deuterium-tritium reaktionen denne tærskelværdien 10 14 s / cm 3 .
Komponenternes bindende energi kommer fra den stærke nukleare interaktionskraft , en af de fire grundlæggende interagerende kræfter i Universet.
Men for at energiinvesteringer gøres for at opnå denne binding er proportional med produktet af de elektriske ladninger af de to atomare kerner til stede. Dette er grunden til, at valget for fusion faldt på deuterium og tritium , to tunge isotoper af brint, for hvilke dette produkt er værd 1.
Den mindste energi, der skal tilføres for at opnå en fusion, er 4 k eV (svarende til en temperatur på 40 millioner kelvin ); den frigivne kinetiske energi er derefter 17,6 MeV , fordelt på 80% i den udsendte neutron og 20% i produceret helium 4 .
Men den nødvendige energi til at nå Lawsons kriterium og en tilstrækkelig positiv effektivitet er omkring 10 k eV eller 100 millioner grader Celsius .
"Deuterium + tritium" -reaktionen resulterer i emission af hurtige neutroner . Disse neutroner er umulige at begrænse elektromagnetisk, fordi de har nul elektrisk ladning. De vil derfor sandsynligvis blive fanget af atomkernerne i indkapslingsvæggen, som de undertiden transmitterer til radioaktive isotoper ( aktiveringsfænomen ). Aktiveringen kan igen være ledsaget af produktions- kerner af helium , som kan svække de strukturelle materialer. Det kunne komplicere den industrielle anvendelse af fusion og er genstand for undersøgelser med forskellige foreslåede løsninger (f.eks vægge i kompositmaterialer , eller i specifikke jern legeringer ), men de kræver eksperimentelle undersøgelser, der er vanskelige at udføre. Kort sigt.
Reaktionerne genererer neutroner er ikke helt "rene", men er meget mindre Affaldsgeneratorer, der reagerer nuklear fission og levetiden for dette affald er meget lavere Til radioaktive produkter, der er oprettet i kernefissionskraftværker .
DeuteriumforsyningDen deuterium er naturligt til stede i store mængder i de oceaner , op til 33 g / m 3 . Disse teoretiske ressourcer ville tilfredsstille energiforbruget for den menneskelige art i millioner af år. Faktisk kan deuterium indeholdt i 1 m 3 vand potentielt give lige så meget energi som forbrændingen af 668 t olie.
Ekstraktionsprocessen, den isotopiske adskillelse af tungt vand ved Girdler-processen , er allerede industrialiseret.
TritiumforsyningDen tritium er meget sjælden i naturen, med omkring en tritium-atom 10 18 atomer af hydrogen på 3,5 kg i verden. Det skal derfor fremstilles kunstigt og forholdsvis hurtigt, da dets natur som en radioaktiv isotop med kort halveringstid betyder, at halvdelen af det naturlige eller kunstige tritium, der produceres, forsvinder på 12,3 år. Derudover er det vanskeligt at begrænse, da det er et så lille atom, at det percolerer i stål og kan passere gennem det.
Hvis der er blevet brugt fusion på militærområdet med H-bomber , er der stadig ingen civil ansøgning om produktion af elektricitet . Kun undersøgelsesprototyper kunne bygges, jf. sektion # Fremskridt i projekter .
Der er et par andre anvendelser, såsom neutrongeneratorer .
Den vigtigste fusionsproces i naturen er den, der brænder stjernerne . Nettoresultatet er sammensmeltning af fire protoner til en alfapartikel ( helium-4- kerne ) ledsaget af frigivelsen af to positroner , to neutriner (som gør to af protonerne til neutroner ) og energi, men forskellige individuelle reaktioner er involveret. ifølge stjernens masse. I stjerner, der ligner eller er mindre i størrelse end solen , dominerer proton-protonkæden . I tungere stjerner er kulstof-kvælstof-ilt-cyklus (CNO) vigtigst. Begge typer af processer er oprindelsen til oprettelsen af nye elementer inden for rammerne af stjernernes nukleosyntese . Andre processer spiller ind i eksplosioner af massive stjerner i supernovaer , som fører til skabelsen af tunge elementer som en del af eksplosiv nukleosyntese .
Ved stjernekernetemperaturer og densiteter er fusionsreaktionshastigheden mærkbart lav. For eksempel, ved temperaturen ( T ≈ 15 MK ) og densiteten ( 160 g / cm 3 ) af solens kerne, er hastigheden for frigivelse af energi kun 276 μW / cm 3 - ca. en fjerdedel af varmestrømmen pr. enhedsvolumen af et menneske i hvile. Således er det fuldstændig umuligt at omsætte i laboratoriet forholdene til stjernernes hjerte med det formål at producere fusionsenergi. Da reaktionshastighederne i høj grad afhænger af temperaturen (exp (- E / kT )), er det nødvendigt for at opnå rimelige energiproduktionshastigheder i kernefusionsreaktorer at arbejde ved temperaturer ti til hundrede gange højere. Højere end de af stjernernes hjerte, det vil sige T - 0,1 - 1 GK (i størrelsesordenen hundrede millioner til en milliard Kelvin ).
I fusion udført af mennesker er der ikke noget krav om, at det anvendte brændstof består af protoner, og det er muligt at bruge højere temperaturer for at få adgang til reaktioner med et større tværsnit . Dette indebærer en lavere værdi af Lawsons kriterium og derfor mindre indsats for at blive produceret til starten af reaktionerne. Produktionen af neutroner, som er et emne, der bekymrer sig, fordi det forårsager en radiologisk aktivering af reaktorens struktur, har på den anden side fordelen ved at tillade ekstraktion af fusionsenergi såvel som produktionen af tritium . Reaktioner, der ikke producerer neutroner, siges at være aneutroniske .
For at være anvendelig som energikilde skal en fusionsreaktion opfylde flere kriterier. Hun skal :
Få reaktioner opfylder alle disse kriterier. Følgende er dem med de største tværsnit :
Ved reaktioner med to produkter fordeles energi mellem dem i omvendt forhold til deres masser, som vist. I de fleste reaktioner med tre produkter er fordelingen af energier variabel. For reaktioner, der kan give anledning til mere end et sæt produkter, er proportionerne angivet. Nogle kandidatreaktioner kan elimineres med det samme. D- 6 Li reaktionen har nogen fordel i forhold til p- 11 B, fordi, medens det er næsten lige så vanskeligt at starte, den producerer væsentligt flere neutroner gennem side 2 D- 2 D reaktioner . Der er også en p- 7 Li reaktion , men dens tværsnit er meget for lille, undtagen måske når T i > 1 MeV , men ved sådanne temperaturer en endoterm reaktion, direkte producerer neutroner, bliver meget signifikant. Endelig er der en p- 9 Be- reaktion , som ikke kun er vanskelig at udløse, men hvor 9 Be let kan opdeles i to alfaer og en neutron.
Ud over fusionsreaktioner er følgende reaktioner, der involverer neutroner, vigtige for produktionen af tritium i "tørre" fusionsbomber og nogle planlagte reaktorer:
n 0 | + | 6 Li | → | 3 T | + | 4 Han | ||
n 0 | + | 7 Li | → | 3 T | + | 4 Han | + | n 0 |
For at vurdere nytten af disse reaktioner ud over de frigjorte reagenser, produkter og energi kræves også information om tværsnittet. Enhver fusionsenhed har et maksimalt tryk, som den er i stand til at opretholde, og en økonomisk enhed skal altid arbejde tæt på dette maksimum. Dette tryk er givet, er den maksimale fusionsenergi opnået ved at vælge en sådan temperatur, at <σ v > / T 2 er maksimum. Det er også den temperatur, ved hvilken værdien af den tredobbelte produkt nTτ kræves til antændelse er minimal, idet sidstnævnte er omvendt proportional med <σ v > / T 2 (se Lawson kriterium ). Denne optimale temperatur samt værdien af <σ v > / T 2 ved denne temperatur er givet for nogle af disse reaktioner i den følgende tabel.
Brændbar | 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 Han | 58 | 2,24 × 10 −26 |
p + - 6 Li | 66 | 1,46 × 10 −27 |
p + - 11 B | 123 | 3,01 × 10 −27 |
Mange af disse reaktioner danner kæder. For eksempel skaber en reaktor forsynet med 3 T og 3 He lidt 2 D, som det derefter er muligt at bruge i 2 D + 3 He- reaktionen, hvis energierne er "korrekte". En elegant idé er at kombinere reaktioner (8) og (9). 3 Han produceret ved reaktion (8) er i stand til at reagere med 6 Li produceret ved reaktion (9) inden dens fuldstændige termisering . Der produceres således en proton, som igen kan gennemgå reaktion (8) inden termisering. Detaljeret analyse viser, at denne idé faktisk ikke fungerer meget godt, men det er et godt eksempel på et tilfælde, hvor den sædvanlige Maxwellian-plasmahypotese ikke er passende.
Enhver af ovenstående reaktioner kan i princippet være grundlaget for produktionen af fusionsenergi. Udover temperaturen og tværsnittet diskuteret ovenfor, er det nødvendigt at undersøge den totale energi af fusionsprodukter E fusion , energien af elektrisk ladede fusionsprodukter E lm og atomnummer Z af reaktanterne undtagen isotoper af hydrogen.
Specifikationen af 2 D- 2 D- reaktionen indebærer imidlertid visse vanskeligheder. Først og fremmest er det nødvendigt at udføre et gennemsnit på de to grene (2i) og (2ii). Derefter, hvilket er sværere, skal du beslutte, hvordan du behandler 3 T- og 3 He-produkterne. 3 T “brænder” så godt i et deuteriumplasma, at det er praktisk taget umuligt at ekstrahere det. 2 D- 3 He- reaktionen er optimal ved en meget højere temperatur, og forbrændingen ved den optimale temperatur for 2 D- 2 D kan være lav; det synes derfor rimeligt at antage, at 3 T vil brænde, men ikke 3 He, og at den således frigjorte energi vil blive føjet til reaktionens. Fusionsenergien 2 D- 2 D vil derfor være E fusion = (4,03 + 17,6 + 3,27) / 2 = 12,5 MeV , og den for ladede partikler E ch = (4,03 + 3, 5 + 0,82) / 2 = 4,2 MeV .
Et andet specifikt aspekt af 2 D- 2 D- reaktionen er tilstedeværelsen af et enkelt reagens, som skal tages i betragtning ved beregning af reaktionshastigheden.
Baseret på disse valg vises parametrene for fire af de vigtigste reaktioner i nedenstående tabel.
Brændbar | Z | E fusion [MeV] | E ch [MeV] | Neutronicitet |
---|---|---|---|---|
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 Han | 2 | 18.3 | 18.3 | ~ 0,05 |
p + - 11 B | 5 | 8.7 | 8.7 | ~ 0,001 |
Den sidste søjle svarer til reaktionens neutronitet defineret som fraktionen af fusionsenergien frigivet i form af neutroner. Det er en vigtig indikator for omfanget af problemer forbundet med neutroner, såsom strålingsskader, biologisk beskyttelse, fjernhåndtering og sikkerhed. For de første to reaktioner er det givet ved ( E fusion - E ch ) / E fusion . For de to sidstnævnte, hvor denne formel vil give et resultat svarende til 0, er de angivne værdier grove estimater baseret på sidereaktioner, der producerer neutroner i et plasma i termisk ligevægt.
Det er nødvendigt at blande reagenserne i de optimale forhold. Dette er tilfældet, når hver reagension og dens tilknyttede elektroner deltager halvt i trykket. Forudsat at det samlede tryk er fast, betyder det, at densiteten af ikke-hydrogenioner er lavere end brintionernes med en faktor 2 / ( Z +1). Som et resultat heraf er hastigheden for disse reaktioner reduceres med samme faktor, som er den største forskel i værdierne af <σ v > / T 2 . På den anden side, da 2 D- 2 D- reaktionen kun har en reaktant, er hastigheden dobbelt så høj som hvis brændstoffet bestod af to isotoper af brint.
Der er derfor en "straf" på (2 / ( Z +1)) for andre brændstoffer end brint på grund af det faktum, at de har brug for flere elektroner, som absorberer tryk uden at deltage i forbrændingsfusionsreaktionen. Det er generelt korrekt at antage, at elektrontemperaturen og iontemperaturen er praktisk talt ens. Nogle forfattere forestiller sig, at elektroner kan holdes ved en meget lavere temperatur end ioner. I sådanne situationer, kendt som "hot ion modes", gælder "straf" ikke. Der er ligeledes en "bonus" af en faktor 2 for 2 D- 2 D reaktion på grund af det faktum, at hver ion kan reagere med nogen af de andre ioner, og ikke kun med en del af dem..
Følgende tabel sammenligner disse reaktioner.
Brændbar | <σ v > / T 2 | Straf / bonus | Reaktivitet | Lawsons kriterium | Effektdensitet (W m -3 kPa -2 ) | Effektdensitetsforhold |
---|---|---|---|---|---|---|
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 Han | 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 |
Den maksimale værdi af <σ v > / T 2 er taget fra en foregående tabel. Faktoren "straf / bonus" er den, der er knyttet enten til et ikke-hydrogenreagens eller til en reaktion på en enkelt art. Værdierne i kolonnen "reaktivitet" opnås ved at dividere 1,24 × 10 −24 med produktet fra den anden og tredje kolonne; hver værdi angiver aftagningsfaktoren for reaktionerne i forhold til 2 D- 3 T- reaktionen under sammenlignelige betingelser. Kolonnen “Lawsons kriterium” vejer disse resultater med E ch og giver en indikation af vanskeligheden ved at opnå antændelse med disse reaktioner sammenlignet med 2 D- 3 T. Reaktionen . Den sidste kolonne, der er mærket ”effekttæthed”, vejer den praktiske reaktivitet. ved E- fusion ; det giver fusionseffektdensitetsreduktionsfaktoren for en bestemt reaktion versus 2 D- 3 T- reaktionen og kan ses som et mål for det økonomiske potentiale.
Ionerne undergår fusion næsten aldrig gøre det i isolation, men blandes med elektroner , som neutraliserer den elektriske ladning af ioner til dannelse af et plasma . Da elektroner generelt har en temperatur, der er sammenlignelig med eller højere end ionernes, kolliderer de med dem og udsender røntgenstråler, hvis energi er i størrelsesordenen 10 til 30 keV ( Bremsstrahlung eller bremsestråling ). Solen og stjernerne er uigennemsigtige over for røntgenstråler , men de fleste jordfusionsreaktorer har lav optisk tykkelse til røntgenstrålerne i dette energiområde. Det er vanskeligt at opnå refleksion af røntgenstråler , men de absorberes (og omdannes til varme) af en tykkelse på mindre end 1 mm rustfrit stål (som er en del af afskærmningen af en reaktor). Forholdet mellem den producerede fusionskraft og disse tab er et vigtigt kvalitetskriterium for reaktionen. Den maksimale værdi af dette forhold opnås generelt ved en temperatur, der er meget højere end den, der giver den maksimale effekttæthed (se forrige underkapitel). Den følgende tabel viser den omtrentlige optimale temperatur samt effektforholdet ved denne temperatur for flere reaktioner.
Brændbar | T i (keV) | P fusion / P Bremsstrahlung |
---|---|---|
2 D- 3 T | 50 | 140 |
2 D- 2 D | 500 | 2.9 |
2 D- 3 Han | 100 | 5.3 |
3 Han- 3 Han | 1000 | 0,72 |
p + - 6 Li | 800 | 0,21 |
p + - 11 B | 300 | 0,57 |
Det er sandsynligt, at de sande forhold mellem fusionskraft og Bremsstrahlung- kraft er mærkbart svagere af forskellige årsager. For det første antager beregningerne, at fusionsproduktenes energi overføres fuldstændigt til ionerne i brændstoffet, som derefter mister den ved kollision til fordel for elektronerne, som igen mister energi af Bremsstrahlung . Da fusionsprodukterne har en meget hurtigere hastighed end brændselsionerne, opgiver de imidlertid en betydelig del af deres energi direkte til elektronerne. For det andet antages plasmaet kun at indeholde brændstofioner. I praksis er der en betydelig andel af urenhedsioner, hvilket vil reducere forholdet. Især skal selve fusionsprodukterne forblive i plasmaet, indtil de har opgivet deres energi og vil forblive der i et stykke tid fremover, uanset den planlagte indeslutningsmetode. Endelig blev alle andre energitabskanaler end Bremsstrahlung betragtet som ubetydelige. De sidste to faktorer hænger sammen. Teoretisk og eksperimentelt synes partikelbegrænsning og energibinding at være nært beslægtede. I en indeslutningsproces, der effektivt bevarer energi, vil fusionsprodukterne øges. Hvis fusionsprodukterne udvises effektivt, vil energibesparelsen være dårlig.
Temperaturerne, for hvilke forholdet mellem smeltning og Bremsstrahlung- kræfter er maksimalt, er i alle tilfælde højere end dem, for hvilke effekttætheden er maksimal og det tredobbelte fusionsprodukt minimum. Dette ændrer ikke det optimale driftspunkt for 2 D- 3 T meget, fordi Bremsstrahlung- andelen er lille, men det skubber andre brændstoffer til regimer, hvor effekttætheden i forhold til 2 D- 3 T er endnu lavere, og den krævede indeslutning endnu mere vanskeligt at opnå. For 2 D- 2 D og 2 D- 3 He udgør Bremsstrahlungs tab et alvorligt problem, måske endda blokering. For 3 He- 3 He, p + - 6 Li og p + - 11 B synes tabene fra Bremsstrahlung at gøre det umuligt at realisere en fusionsreaktor, der bruger disse brændstoffer med et isotrop kvasi-neutralt plasma. Denne begrænsning gælder ikke for ikke-neutrale plasmaer eller for anisotrope plasmaer , som dog har deres egne udfordringer.
Der er mange udfordringer med hensyn til pålidelighed og sikkerhed ved langvarig drift. De varierer alt efter typen af reaktor.
De vedrører især:
Efter beslutningen, der blev taget i 2006 om at gennemføre ITER- projektet i Frankrig, deltog adskillige franske videregående uddannelsesinstitutioner i en sammenslutning af "Training in Fusion Sciences". Denne uddannelse sigter mod at forberede forskere og ingeniører på højt niveau, franske eller udenlandske, der er i stand til at investere i programmer vedrørende forskning i plasma, fusion og energi. Især inden for videnskabelig og teknisk udnyttelse af stort tilknyttet udstyr. Masterens specialitet dækker derfor alle videnskabelige og teknologiske områder vedrørende medier ioniseret ved teoretisk, simulering og eksperimentel tilgang og tilbyder tværfaglig uddannelse på plasmaer, i al deres variation, materialer under bestråling, kryoteknologi og superledningsevne, meget høj effekt opvarmning ved mikrobølger eller lasere og instrumenter i ekstreme miljøer. Uddannelsen foregår gennem tre kurser: to fokuserer på fysik ( fusion ved magnetisk indeslutning og magnetiserede plasmaer på den ene side, fusion ved inerti-indeslutning og tætte plasmaer på den anden side), et tredje kursus er mere teknologisk i indhold. Og omfavner fysik og teknologier til plasma og fusion.
Ved fusionen af visse universiteter er otte virksomheder fordelt på fire steder i Frankrig medejagtige til at levere dette eksamensbevis med kurser, der finder sted parallelt på disse steder og under gruppering af studerende i Cadarache og Bordeaux:
Fire ingeniørskoler er også tilknyttet: