Den kjernefusjon (eller termonukleære ) er den prosess hvor to atomkjerner kombineres for å danne en tyngre kjerne. Denne reaksjonen forekommer naturlig i solen og de fleste stjerner i universet , der alle andre kjemiske grunnstoffer enn hydrogen og det meste av helium er opprettet . Det er, sammen med kjernefisjon , en av de to hovedtyper av anvendte kjernefysiske reaksjoner .
Kjernefusjon avgir en kolossal mengde energi per masseenhet, som skyldes tiltrekningen mellom nukleoner på grunn av den sterke interaksjonen (se atombindende energi ). Massen av produktet / produktene til en fusjonsreaksjon er mindre enn summen av massene til de smeltede kjernene, forskjellen transformeres til kinetisk energi (deretter til varme ) i henhold til Einsteins formel E = mc 2 .
Kjernefusjon brukes i H-bomber og, mer anekdotisk, i nøytrongeneratorer . Den kan brukes til produksjon av elektrisitet , som den har to store fordeler for:
Til tross for forskning utført over hele verden siden 1950-tallet, har det ennå ikke blitt oppnådd industriell anvendelse av fusjon til kraftproduksjon. Ingeniører står overfor utfordringen med å skape og opprettholde en temperatur på flere millioner grader i et trangt rom.
Kjernefusjon har ingenting å gjøre med å smelte kjernen i en atomreaktor , som er en spesielt fryktelig atomulykke .
Oppdagelsen av fusjon reaksjoner startdato for XX th århundre. Etter noen eksperimenter foreslo astrofysiker Arthur Eddington i 1920 at energien til stjerner skyldes fusjonen av hydrogenkjerner i helium . I 1934 utførte Ernest Rutherford den første fusjonsreaksjonen i laboratoriet (mellom deuteriumatomer ).
I 1938 resulterte arbeidet til Hans Bethe og Carl Friedrich von Weizsäcker i Weizsäcker's formel , som gir en omtrentlig verdi av bindingsenergien mellom nukleoner i atomkjernen . Fra denne formelen forestiller de seg reaksjonene som foregår inne i stjernene. I 1950 studerte George Gamow de som kan ha skjedd like etter Big Bang . Spesielt analyserer han kvantetunneleffekten som gjør det mulig å forklare hyppigheten av nukleonsmeltningsreaksjoner som forekommer i stjerner.
På 1940-tallet viste disse studiene at elementene som ble produsert i en fusjonsreaksjon var mye mindre tallrike og hadde en betydelig kortere halveringstid enn avfallet som ble generert av kjernefisjon , for ikke å nevne at naturressursene for fusjon var tilgjengelige i gigantiske mengder. Fusjonen som er opprettet i stjernene takket være den meget sterke tyngdekraften, blir da vurdert på jorden ved hjelp av magnetfelt , en prosess som kalles magnetisk fusjon .
I 1946 arkiverte britiske fysikere George Paget Thomson og Moses Blackman det første patentet på en kjernefusjonsreaktor. De tilbyr et torisk formet vakuumkammer for å begrense et plasma . Oppfunnet på begynnelsen av 1950-tallet av sovjetiske fysikere Igor Tamm og Andrei Sakharov på en original ide av fysikeren Oleg Lavrentiev , kommer akronymet tokamak fra russisk og oversettes til "toroidalt kammer med magnetiske spoler".
På grunn av den kalde krigen lanserte flere land sine undersøkelser isolert og i størst hemmelighold ( USA , Sovjetunionen , England , Frankrike , Tyskland og Japan ).
I januar 1958 kunngjorde engelskmennene at de hadde fått nøytroner fra fusjonsreaksjoner: kontroller viser at disse nøytronene faktisk kommer av ustabiliteten i plasmaet. Denne feilen provoserer samlingen av forskning på globalt nivå, kunngjort i september samme år i Genève , under kongressen til Atoms for Peace-programmet (“Atoms for Peace”). I 1968 tillot to russiske tokamakker, T3 og TM3, et plasma å overskride temperaturen med ti millioner grader Celsius i 20 millisekunder. Denne forskningslinjen anses derfor å være den mest lovende.
Utsiktene til en nesten uuttømmelig kilde til energi vekker misunnelse mens det første oljesjokket og den demografiske prognosen viser usikre ressurser i lys av det økende energibehovet. Årene 1970-1980 var åstedet for et hektisk løp for eksperimentell forskning og betydelige summer ble brukt uten at målet var å oppnå en positiv energibalanse. USA bruker opptil 500 millioner dollar i året på dette. De fleste studiepoengene er til utvikling av stadig sterkere tokamakker. Andre forskningsområder utforskes. Det inertiale inneslutningslaserplasmaet oppleves med kraftlasere, den radiale inneslutnings-solenoiden vurderes ( feltomvendt konfigurasjon (i) , FRC), eksperimenter med lav effekt, inneslutning ved selvorganisering av plasmaet på grunn av dets magnetohydrodynamiske egenskaper i et sfærisk volum eller sfæromak blir realisert.
På 1990-tallet mørket fremtiden for den tradisjonelle tokamak på grunn av bevisstheten om dens begrensninger på ytelse. Dette uttrykkes av plasma β (beta) -forholdet, definert som forholdet mellom plasmatrykk og magnetisk trykk . På den tiden ble magnetisk inneslutning ansett som den eneste måten å vente på temperaturene som var nødvendige for å oppnå fusjonsreaksjoner som tillot en positiv energibalanse. Det er enighet om at denne faktoren ikke kan overstige 5%, noe som innebærer å bruke mye energi på å gjøre magneter mer og mer kraftige. Forskningsmidler tørker ut. ITER- prosjektet ser at byggebudsjettet blir tidoblet og forsinkelser multipliseres. I 1997 satte den første "moderne" sfæriske tokamak , START (en) , en ny rekord og brakte den toroidale β til 38%. I Tyskland utføres en annen forskningslinje, en variant rundt tokamak, med konstruksjonen av en stellator , Wendelstein 7-X , et prosjekt fra 1994, men til slutt levert i 2015.
Håpet er gjenfødt, ITER-prosjektet tar endelig fart og byggingen ble lansert i 2011. De første plasmene er planlagt til 2025. Vi tenker allerede på perioden etter ITER, som forutsetter nye mer kompakte og kraftige enhetsdesign. Flere design av sfærisk tokamak for demonstrasjon ( Sfærisk Tokamak for energiproduksjon (en) ) er foreslått, og private selskaper kommer i løpet.
de 4. desember 2020, Starter Kina den mest effektive av sine tokamakker, HL-2M . Ligger i Sichuan- provinsen , er det en del av ITER-programmet.
En kjernefusjonsreaksjon krever to atomkjerner for å interpenetere. For dette må kjernene overvinne den intense frastøtingen på grunn av deres elektriske ladninger, begge positive (et fenomen kjent som " Coulomb-barrieren "). Hvis bare lovene til klassisk mekanikk ble brukt, ville sannsynligheten for å oppnå kjernefusjon veldig lav på grunn av den ekstremt høye kinetiske energien (tilsvarende termisk omrøring ) som kreves for å krysse barrieren. Imidlertid forutsier kvantemekanikken , noe som er sant i praksis, at Coulomb-barrieren også kan krysses av tunneler , ved lavere energier.
Energiene som kreves for fusjon forblir veldig høye, tilsvarende temperaturer på flere titalls eller til og med hundrevis av millioner grader Celsius, avhengig av kjernens natur (se nedenfor: fusjonsplasmaer ). Innenfor solen foregår fusjonen av hydrogen , som resulterer i trinn i produksjonen av helium , ved temperaturer i størrelsesorden femten millioner Kelvin , men følger reaksjonsmønstre. Forskjellig fra de som er studert for produksjon av fusjonsenergi Jord. I noen mer massive stjerner tillater høyere temperaturer sammensmelting av tyngre kjerner.
Når to kjerner smelter sammen, ender den resulterende kjernen i en ustabil tilstand og må gå tilbake til en stabil tilstand med lavere energi, og kaster ut en eller flere partikler ( foton , nøytron , proton , heliumkjerne , avhengig av reaksjonstype). Overskuddsenergien fordeles mellom kjernen og partiklene som sendes ut i form av kinetisk energi .
Fra et kommersielt driftsperspektiv, slik at fusjonen kan være energisk lønnsom, er det nødvendig at den produserte energien er større enn energien som forbrukes for å opprettholde reaksjonene og ved termiske tap til det ytre miljøet. I fusjonsreaktorer er det således nødvendig å unngå kontakt mellom reaksjonsmediet og materialene i miljøet, som oppnås ved immateriell inneslutning ( magnetisk eller inertial ).
Fusjonsreaksjonene som gir mest energi er de som involverer de letteste kjernene. Dermed deuteriumkjernene 2
1H (a p + proton og et n nøytron ) og tritium 3
1H (en proton og to nøytroner) er involvert i følgende reaksjoner (hvor 3
2Han er helium 3 og4
2Han helium 4 ):
Hvis kjernefisjon har vært kontrollert i lang tid for produksjon av elektrisitet , er dette ikke tilfelle for fusjon.
Denne reaksjonen er vanskelig å oppnå fordi det er nødvendig å samle to kjerner som naturlig har frastøting. Å mestre fusjonen av lette kjerner, som deuterium , på jorden , vil gi tilgang til energiressurser i mengder som menneskeartene aldri tidligere har opplevd og ville produsere mye mindre atomavfall enn fisjon. Denne betydelige andelen har ført til at nasjonale og internasjonale vitenskapelige miljøer har startet flere store prosjekter.
Det er forskjellige tenkelige metoder for å komme til å begrense reaksjonsmediet for å produsere kjernefusjonsreaksjoner, inkludert fusjon ved magnetisk inneslutning og inertial inneslutningsfusjon .
I disse konfigurasjonene følger partiklene som utgjør plasmaet en bane avhengig av deres magnetohydrodynamiske egenskaper og linjene til et magnetfelt generert av selve plasmaet eller av magneter. Partiklene går dermed tilbake til utgangsposisjonen (lukket konfigurasjon) eller følger en bane som fører dem til å gå ut av enheten (åpen konfigurasjon).
Toric tokamakDen tokamak er det foretrukket kandidat for utvikling av et kraftverk for produksjon av elektrisk kraft ved kontrollert fusjon. Det fungerer på prinsippet om varmeveksling og varmeoverføringsvæske .
Det første trinnet er å demonstrere, med den ITER forsøk reaktoren , at den energi som produseres av fusjonsreaksjoner er større enn den energi som forbrukes for å opprettholde plasmaet i forhold.
Den sfæriske tokamakDen sfæriske tokamak er magnetiske inneslutningsenheter for å utføre fusjonsreaksjoner i plasma-nukleoner mye mer effektivt enn tradisjonelle tokamak-ringer.
Nåværende eksperimenter bekrefter potensialet til sfæriske tokamaks. Alle effektivitetsmarkører har en rekkefølge ti ganger større enn den tradisjonelle tokamak.
StellaratorenI en stellator oppnås inneslutningen av plasmaet helt av et spiralformet magnetfelt generert av det komplekse arrangementet av spoler rundt torusen . Målet er å kontrollere banen til hver partikkel, noe som er umulig i en tradisjonell torisk tokamak på grunn av torusens geometri: for å utføre en sving, beveger partiklene seg i torusen en kortere avstand enn de på utsiden. torus. Eksempel på en stjerne: Wendelstein 7-X .
SfæromakSfærisk i form følger sfæromak et prinsipp om selvorganisering av plasmaet takket være dets magnetohydrodynamiske egenskaper. Plasmastrømmen genererer ved sin form et magnetfelt som igjen styrker og stabiliserer det. Noen enheter er hybrider av sfæromak og sfærisk tokamak ( f.eks. Proto-Sphera).
Den kanadiske oppstarten General Fusion , som utvikler en prototype sfæromak i Vancouver med støtte fra investorer, inkludert den britiske regjeringen og Jeff Bezos , kunngjør17. juni 2021at den skal bygge sin første demonstrant fra 2022 til 2025 på campus for British Atomic Energy Authority i Culham, vest i London. Kraften til anlegget vil være 115 MW .
Åpne konfigurasjonerEnhetene felle magnetiske speil og felt-reversert konfigurasjon (en) (FRC) kan brukes for plass fremdrift typen elektrisk .
Oppvarming i fusjon ved magnetisk inneslutningForskjellige midler er tilgjengelige for fusjonsfysikere for å varme opp deuterium og tritiumplasma.
Et første middel består av et system som gjør det mulig å generere en intens elektrisk strøm i plasmaet. I den grad elektroder forurenser plasmaet, induserer forskerne denne strømmen takket være et variabelt magnetfelt, enten økende eller avtagende. Dermed har den induserte strømmen grenser.
Det er også mulig å varme opp plasmaet ved hjelp av en stråle av nøytrale atomer . Disse er, i en separat enhet, ionisert for å kunne akselereres av et elektrisk felt . De blir deretter nøytralisert ved å feste elektronene på nytt, og deretter injisert i plasmaet. Disse atomene må nødvendigvis være nøytrale, siden ioner vil bli avbøyd av det begrensende feltet og ikke vil være i stand til å få tilgang til sentrum av plasmaet. Når de er i sentrum av sistnevnte, ioniserer de nøytrale atomer igjen, og på grunn av deres overskytende kinetiske energi sammenlignet med tritium og deuterium, gir de opp en del av energien i midten ved kollisjoner. Disse nøytrale atomene er i seg selv tritium og deuterium. De sørger derfor også for drivstoffforsyningen .
På denne måten blir energien ført av en stråle av laserlys eller av en stråle av ladede partikler (elektroner eller ioner) til en drivstoffkule med noen millimeter i diameter. Ionisering og hurtig oppvarming av målets yttervegg fører til en utvidelse av plasmaet, med en hastighet lik ca. c / 1000, ( c betegner lysets hastighet i vakuum, dvs. ca. 3 × 108 m / s ) . Dette resulterer i utseendet til en sentripetal sjokkbølge, som vil konsentrere deuterium-tritium drivstoff i midten av målet, i en diameter omtrent ti ganger mindre enn den opprinnelige diameteren. Vi snakker om raketteffekt for å kvalifisere denne konvergensen av målets masse i motsetning til utvidelse av det perifere plasmaet (prinsippet om gjensidige handlinger i Newtons tredje lov ). Denne kompresjonen fører til både fortetting av det brennbare mediet (ca. 1000 ganger, dvs. 10 × 10 × 10), for å gi en tetthet ingen steder tilgjengelig på jorden , nemlig 10 26 , og en temperatur på omtrent ti millioner grader. Disse forholdene fører til et veldig stort antall fusjonsreaksjoner, som varer i omtrent 10 pikosekunder .
Status for de viktigste kontrollerte atomfusjonsprosjektene (oktober 2014):
Prosjekt | Kategori | Dato for igangkjøring | Resultater | Støtte på vanskeligheter | Kommentarer |
---|---|---|---|---|---|
Commonwealth Fusion Systems | Tokamak | 2025 | (prosjekt under bygging) | ||
ITER | Tokamak | 2025 | Ikke relevant
(prosjekt under bygging) |
Byggetid,
budsjett overskredet |
Internasjonalt prosjekt (35 land) som er en del av en langsiktig tilnærming rettet mot industrialisering av kjernefusjon, hvis mål er å nå Q = 10 (ti ganger mer produsert energi enn forbrukt). Etter at en st oppstart, vil maskinen slås av tiden for å forberede den neste fase (plasmaer ved nominell styrke), da den fase og for å kjernekraft til 2.035. |
Felles europeisk Torus | Tokamak | 1989 | Q = 0,65 (i dag det beste forholdet mellom produsert kraft og kraft indusert av kjernefysisk fusjon). | Ikke relevant | Største eksisterende funksjonelle Tokamak, frukt av et samarbeid mellom forskjellige europeiske nasjonale laboratorier. Siden 2004 gjennomgår det oppdateringer for å øke kapasiteten til å delta i utviklingen av ITER- prosjektet . |
MAST-U (in) | Sfærisk Tokamak | 2019 | nåværende rekord for toroidal beta på 38% | Ikke relevant | Største sfæriske tokamak i drift i dag, og venter på at NSTX-U (in) er reparert. Dens nåværende funksjoner er å teste viderekoblingskonfigurasjoner for ITER |
Wendelstein 7-X | Stellarator | 2015 | I testfasen - de første resultatene viser at spesifikasjonene til spesifikasjonene er nådd. | Ikke relevant |
|
Z-maskin | Aksial belastning | 2010 | Fusjon utført i 2014. Temperatur tre ganger lavere enn ITER. | Reaksjonshastighet 10 000 ganger for lav for å oppnå et utbytte Q > 1 | Amerikansk privatprogram utviklet av Lockheed Martin i laboratoriene til datterselskapet Sandia (bekymringer om konfidensialitet). Det er en simulator hvis fusjonseksperimenter bare er en del av dets nytte. |
CFR (en) | Magnetisk felle | Ikke relevant | Teoretiske fremskritt. Potensiell kompakthet i systemet. | Uklar fremgang, ingen fungerende prototype | Amerikansk privatprogram. Lockheed Martin ønsker å utvikle en prototype på kort sikt. |
Megajoule Laser | Laserinneslutning | 2014 | Ikke relevant | Finansiering | Hovedmålet er å være en simulator for å erstatte konvensjonelle kjernefysiske tester. Å produsere energi er bare en sekundær forskningslinje. |
Temperatur nådd
Plasma vedlikeholdstid
Kjernefusjonskraft
Ved temperaturen der det er sannsynlig at fusjon oppstår, er materie i plasmatilstand .
Det er en spesiell tilstand av råmateriale der atomer eller molekyler danner en ionisert gass .
Én eller flere elektroner fra elektronskyen som omgir hver kjerne har blitt revet bort, og etterlater positivt ladede ioner og frie elektroner, og hele er elektrisk nøytral.
I et termisk plasma produserer den store uro av ioner og elektroner mange kollisjoner mellom partiklene. For at disse kollisjonene skal være tilstrekkelig voldsomme og forårsake fusjon, er tre mengder involvert: temperaturen T , tettheten N og inneslutningstiden τ .
Den Lawson kriteriet sier at forholdet mellom energi og tapt energi må nå en viss terskel for lønnsom system. Den antennelse skjer på et høyere trinn i energiproduksjon , likevel umulig å lage i eksisterende reaktorer. Dette er terskelen som reaksjonen er i stand til å opprettholde selv. For deuterium-tritium-reaksjonen er denne terskelen 10 14 s / cm 3 .
Komponentenes bindende energi kommer fra den sterke kjernefysiske interaksjonskraften , en av de fire grunnleggende samvirkende kreftene i Universet.
Imidlertid er energikrevende prosess å bli gjort for å oppnå denne bindingen er proporsjonal med produktet av de elektriske ladninger av de to atomkjernene til stede. Dette er grunnen til at valget for fusjon falt på deuterium og tritium , to tunge isotoper av hydrogen, som dette produktet er verdt 1.
Minimumsenergien som skal tilføres for å oppnå en fusjon er 4 k eV (tilsvarer en temperatur på 40 millioner kelvin ); Den frigjorte kinetiske energien er da 17,6 MeV , distribuert for 80% i det avgitte nøytronet og for 20% i det produserte helium 4 .
Men energien som kreves for å nå Lawsons kriterium og en tilstrekkelig positiv effektivitet er rundt 10 k eV, eller 100 millioner grader Celsius .
"Deuterium + tritium" -reaksjonen resulterer i utslipp av raske nøytroner . Disse nøytronene er umulige å begrense elektromagnetisk fordi de har null elektrisk ladning. De vil derfor sannsynligvis bli fanget opp av atomkjernene i innhegningsveggen, som de noen ganger overfører til radioaktive isotoper ( aktiveringsfenomen ). Aktiveringen kan på sin side være ledsaget av produksjon av kjerner av helium , som kan svekke de strukturelle materialer. Det kunne komplisere den industrielle anvendelse av fusjon og er gjenstand for undersøkelser med forskjellige foreslåtte løsninger (for eksempel vegger i komposittmaterialer , eller i spesielle jernlegeringer ), men de krever eksperimentelle studier som er vanskelige å utføre. Kort sikt.
Reaksjonene generere nøytroner er ikke helt "ren", men likevel er mye mindre Avfalls generatorer som reaksjoner fisjon og livet av dette avfallet er mye lavere Til det radioaktive produkter laget i fisjon strømanlegg .
Deuterium forsyningDen deuterium er naturlig til stede i store mengder i havene , opp til 33 g / m 3 . Disse teoretiske ressursene vil tilfredsstille energiforbruket til menneskeartene i millioner av år. Faktisk kan deuterium som finnes i 1 m 3 vann potensielt gi like mye energi som forbrenning av 668 t olje.
Ekstraksjonsprosessen, den isotopiske separasjonen av tungt vann ved Girdler-prosessen , er allerede industrialisert.
TritiumforsyningDet tritium er meget sjelden i naturen, med omtrent en tritium-atom 10 18 hydrogenatomer på 3,5 kg i verden. Den må derfor tilberedes kunstig og ganske raskt, siden dens natur som en radioaktiv isotop med kort halveringstid betyr at halvparten av det naturlige eller kunstige tritium som produseres forsvinner på 12,3 år. I tillegg er det vanskelig å begrense, ettersom det er et så lite atom at det perkolerer i stål og kan passere gjennom det.
Hvis fusjon har blitt brukt i det militære feltet med H-bomber , er det fremdeles ingen sivil anvendelse for produksjon av elektrisitet . Bare studieprototyper kunne bygges, jfr. seksjon # Fremgang av prosjekter .
Det er noen få andre bruksområder, for eksempel nøytrongeneratorer .
Den viktigste fusjonsprosessen i naturen er den som driver stjernene . Nettoresultatet er fusjonen av fire protoner til en alfapartikkel ( helium-4- kjerne ), ledsaget av frigjøring av to positroner , to nøytrinoer (som gjør to av protonene til nøytroner ) og energi, men forskjellige individuelle reaksjoner er involvert. i henhold til stjernens masse. I stjerner som er lik eller mindre i størrelse enn solen , dominerer proton-protonkjeden . I tyngre stjerner er karbon-nitrogen-oksygen (CNO) syklusen viktigst. Begge typer prosesser er opprinnelsen til opprettelsen av nye elementer innenfor rammen av stjernenukleosyntese . Andre prosesser spiller inn i eksplosjoner av massive stjerner i supernovaer , som fører til dannelsen av tunge elementer, som en del av eksplosiv nukleosyntese .
Ved stjernekjernetemperaturer og tettheter er fusjonsreaksjonshastigheten merkbart lav. For eksempel, ved temperaturen ( T ≈ 15 MK ) og tettheten ( 160 g / cm 3 ) av solens kjerne, er hastigheten for frigjøring av energi bare 276 μW / cm 3 - omtrent en fjerdedel av varmestrømmen pr. enhetsvolum av et menneske i ro. Dermed er det helt umulig å gjengi i laboratoriet gjengivelse av forholdene til stjernenes hjerte for å produsere fusjonsenergi. Ettersom reaksjonshastighetene sterkt avhenger av temperaturen (exp (- E / kT )), er det nødvendig å arbeide ved temperaturer ti til hundre ganger høyere for å oppnå rimelige energiproduksjonshastigheter i kjernefusjonsreaktorer. de av stjernenes hjerte, det vil si T - 0,1 - 1 GK (i størrelsesorden hundre millioner til en milliard Kelvin ).
I fusjon utført av mennesker, er det ikke noe krav at drivstoffet som brukes består av protoner, og det er mulig å bruke høyere temperaturer for å få tilgang til reaksjoner med større tverrsnitt . Dette innebærer en lavere verdi av Lawsons kriterium , og derfor mindre innsats for å bli produsert for starten av reaksjonene. Produksjonen av nøytroner, som er et tema som er bekymringsfullt fordi den forårsaker en radiologisk aktivering av reaktorens struktur, har derimot fordelen av å tillate utvinning av fusjonsenergi så vel som produksjon av tritium . Reaksjoner som ikke produserer nøytroner sies å være aneutroniske .
For å være brukbar som energikilde, må en fusjonsreaksjon oppfylle flere kriterier. Hun må :
Få reaksjoner oppfyller alle disse kriteriene. Følgende er de med de største tverrsnittene :
For reaksjoner med to produkter fordeles energi mellom dem i omvendt forhold til massene, som vist. I de fleste reaksjoner med tre produkter er energifordelingen variabel. For reaksjoner som kan gi opphav til mer enn ett sett med produkter, er proporsjonene angitt. Noen kandidatreaksjoner kan elimineres umiddelbart. D- 6 Li reaksjon har ingen fordel i forhold til p- 11 B fordi, mens det er nesten like vanskelig å starte, den produserer betydelig flere nøytroner gjennom side 2 D- 2 D -reaksjoner . Det er også en p- 7 Li reaksjon , men dens tverrsnitt er altfor liten, kanskje bortsett fra når T i > 1 MeV , men ved slike temperaturer en endoterm reaksjon, som direkte produserer nøytroner, blir meget betydelig. Til slutt er det en p- 9 Be- reaksjon , som ikke bare er vanskelig å utløse, men der 9 Be lett kan få seg til å splittes i to alfaer og et nøytron.
I tillegg til fusjonsreaksjoner er følgende reaksjoner som involverer nøytroner viktige for produksjonen av tritium i "tørre" fusjonsbomber og noen planlagte reaktorer:
n 0 | + | 6 Li | → | 3 T | + | 4 Han | ||
n 0 | + | 7 Li | → | 3 T | + | 4 Han | + | n 0 |
For å vurdere nytten av disse reaksjonene, i tillegg til reagensene, produktene og frigjort energi, er det også nødvendig med informasjon om tverrsnittet. Enhver fusjonsenhet har et maksimalt trykk som den er i stand til å opprettholde, og en økonomisk enhet vil alltid måtte jobbe nær det maksimale. Dette trykk er gitt, er den maksimale fusjonsenergi som er oppnådd ved å velge en temperatur som er slik at <σ v > / T 2 er maksimal. Det er også den temperatur ved hvilken verdien av trippel produkt nTτ er nødvendig for tenning er minimal, den sistnevnte er omvendt proporsjonal med <σ v > / T 2 (se Lawson kriterium ). Denne optimale temperatur samt den verdi av <σ v > / T 2 ved denne temperatur er gitt for noen av disse reaksjoner i den følgende tabell.
Brennbar | 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 av disse reaksjonene danner kjeder. For eksempel skaper en reaktor forsynt med 3 T og 3 He litt 2 D, som det da er mulig å bruke i 2 D + 3 He- reaksjonen hvis energiene er "riktige". En elegant idé er å kombinere reaksjoner (8) og (9). 3 Han produsert ved reaksjon (8) er i stand til å reagere med 6 Li produsert ved reaksjon (9), før den er fullstendig termalisert . Det produseres således en proton som igjen kan gjennomgå reaksjon (8) før termalisering. Detaljert analyse viser at denne ideen faktisk ikke vil fungere veldig bra, men det er et godt eksempel på et tilfelle der den vanlige Maxwellian-plasmahypotesen ikke er passende.
Enhver av de ovennevnte reaksjonene kan i prinsippet være grunnlaget for produksjonen av fusjonsenergi. I tillegg til den temperatur og tverrsnittet diskutert ovenfor, er det nødvendig å undersøke den totale energi av de fusjonsprodukter E fusjon , energien av den elektrisk ladet fusjonsprodukter E ch , og den atomnummer Z av reaktantene annet enn isotoper hydrogen.
Spesifikasjonen av 2 D- 2 D- reaksjonen innebærer imidlertid visse vanskeligheter. Først og fremst er det nødvendig å utføre et gjennomsnitt på de to grenene (2i) og (2ii). Da, som er vanskeligere, må du bestemme hvordan du skal behandle 3 T og 3 He-produktene. 3 T “brenner” så godt i et deuteriumplasma at det er praktisk talt umulig å utvinne det. 2 D- 3 He- reaksjonen er optimal ved en mye høyere temperatur og forbrenning ved den optimale temperaturen for 2 D- 2 D kan være lav; Det virker derfor rimelig å anta at 3 T vil brenne, men ikke 3 He, og at den frigjorte energien vil bli lagt til reaksjonens. Den fusjonsenergi 2 D- 2 D vil derfor være E fusjon = (4,03 17,6 + 3,27) / 2 = 12,5 MeV , og at av ladede partikler E ch = (4.03 + 3, 5 + 0,82) / 2 = 4,2 MeV .
Et annet spesifikt aspekt av 2 D- 2 D- reaksjonen er tilstedeværelsen av et enkelt reagens, som må tas i betraktning når beregningshastigheten beregnes.
Basert på disse valgene, vises parametrene til fire av de viktigste reaksjonene i følgende tabell.
Brennbar | Z | E fusion [MeV] | E ch [MeV] | Nøytralitet |
---|---|---|---|---|
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 siste kolonnen tilsvarer nøytraliteten til reaksjonen, definert som brøkdelen av fusjonsenergien som frigjøres i form av nøytroner. Det er en viktig indikator på omfanget av problemer forbundet med nøytroner, som strålingsskader, biologisk beskyttelse, fjernhåndtering og sikkerhet. For de to første reaksjonene er den gitt av ( E fusion - E ch ) / E fusion . For de to sistnevnte, hvor denne formelen vil gi et resultat som er lik 0, er verdiene som er gitt grove estimater basert på sidereaksjoner som produserer nøytroner i et plasma i termisk likevekt.
Det er nødvendig å blande reagensene i de optimale proporsjoner. Dette er tilfelle når hvert reagension og dets tilhørende elektroner deltar halvparten i trykket. Forutsatt at det totale trykket er fast, betyr det at tettheten til ikke-hydrogenioner er lavere enn hydrogenionene med en faktor på 2 / ( Z +1). Som et resultat, blir frekvensen av disse reaksjonene reduseres med samme faktor, som er den største forskjell i verdiene av <σ v > / T 2 . På den annen side, siden 2 D- 2 D- reaksjonen bare har en reaktant, er hastigheten dobbelt så høy som om drivstoffet besto av to isotoper av hydrogen.
Det er derfor en "straff" på (2 / ( Z +1)) for andre drivstoff enn hydrogen, på grunn av det faktum at de trenger flere elektroner, som absorberer trykk uten å delta i forbrenningen. Det er generelt riktig å anta at elektrontemperaturen og ionetemperaturen er praktisk talt like. Noen forfattere ser for seg at elektroner kan holdes ved en mye lavere temperatur enn ioner. I slike situasjoner, kjent som “hot ion modes”, vil ikke "penalty" gjelde. Det er tilsvarende en "bonus" på en faktor 2 for 2 D- 2 D- reaksjonen på grunn av det faktum at hvert ion kan reagere med hvilket som helst av de andre ionene, og ikke bare med en brøkdel av dem.
Tabellen nedenfor sammenligner disse reaksjonene.
Brennbar | <σ v > / T 2 | Straff / bonus | Reaktivitet | Lawsons kriterium | Effekt tetthet (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 | 1700 | 0,005 | 6800 | |
p + - 11 B | 3,01 × 10 −27 | 1/3 | 1.240 | 500 | 0,014 | 2500 |
Den maksimale verdi av <σ v > / T 2 er tatt fra et foregående tabell. "Straff / bonus" -faktoren er den som er koblet til et ikke-hydrogenreagens eller til en reaksjon på en enkelt art. Verdiene i "reaktivitet" -kolonnen oppnås ved å dele 1,24 × 10 −24 med produktet fra andre og tredje kolonne; hver verdi indikerer bremsefaktoren for reaksjonene i forhold til 2 D- 3 T- reaksjonen under sammenlignbare forhold. Kolonnen "Lawsons kriterium" veier disse resultatene med E ch og gir en indikasjon på vanskeligheten med å oppnå tenning med disse reaksjonene, sammenlignet med 2 D- 3 T. Reaksjonen . Den siste kolonnen, merket "effekttetthet", Vekter den praktiske reaktiviteten. av E fusion ; det gir fusjonseffektdensitetsreduksjonsfaktoren for en bestemt reaksjon versus 2 D- 3 T- reaksjonen , og kan sees på som et mål på økonomisk potensial.
Ionene som gjennomgår fusjon gjør det nesten aldri isolert, men blandes med elektroner som nøytraliserer den elektriske ladningen til ionene for å danne et plasma . Siden elektroner vanligvis har en temperatur som er sammenlignbar med eller høyere enn ionene, kolliderer de med dem og avgir røntgenstråler hvis energi er i størrelsesorden 10 til 30 keV ( Bremsstrahlung eller bremsestråling ). Solen og stjernene er ugjennomsiktige for røntgenstråler , men de fleste jordfusjonsreaktorer har lav optisk tykkelse for røntgenbildene i dette energiområdet. Den refleksjon av røntgenbilder er vanskelig å oppnå, men de absorberes (og omdannes til varme) ved en tykkelse på mindre enn 1 mm av rustfritt stål (som er en del av skjermingen av en reaktor). Forholdet mellom produsert fusjonskraft og disse tapene er et viktig kvalitetskriterium for reaksjonen. Maksimumsverdien av dette forholdet oppnås vanligvis ved en temperatur som er mye høyere enn den som gir maksimal effekttetthet (se forrige underkapittel). Den følgende tabellen viser den omtrentlige optimale temperaturen samt effektforholdet ved den temperaturen for flere reaksjoner.
Brennbar | 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 sannsynlig at de sanne forholdene mellom fusjonskraft og Bremsstrahlung- kraft er merkbart svakere, av forskjellige grunner. For det første antar beregningene at fusjonsproduktenes energi overføres helt til ionene i drivstoffet, som deretter mister den ved kollisjon til fordel for elektronene, som igjen mister energi av Bremsstrahlung . Siden fusjonsproduktene har en mye raskere hastighet enn drivstoffionene, gir de imidlertid en betydelig del av energien direkte til elektronene. For det andre antas at plasma bare inneholder drivstoffioner. I praksis er det en betydelig andel av urenhetsioner, noe som vil redusere forholdet. Spesielt må selve fusjonsproduktene forbli i plasma til de har gitt opp energien, og vil forbli der i en stund fremover, uavhengig av den innesluttede metoden. Til slutt ble alle andre energitapskanaler enn Bremsstrahlung ansett som ubetydelige. De to siste faktorene er relatert. Teoretisk og eksperimentelt ser partikkelinneslutning og energiomsetting ut til å være nært beslektet. I en inneslutningsprosess som effektivt beholder energi, vil fusjonsproduktene øke. Hvis fusjonsproduktene blir utvist effektivt, vil energiinneslutningen være dårlig.
Temperaturene som forholdet mellom smelting og Bremsstrahlung- krefter er maksimalt for, er i alle tilfeller høyere enn de hvor effekttettheten er maksimal og det tredoble fusjonsproduktet minimum. Dette endrer ikke det optimale driftspunktet for 2 D- 3 T mye fordi Bremsstrahlung- andelen er liten, men det skyver andre drivstoff til regimer der effekttettheten i forhold til 2 D- 3 T er enda lavere, og den nødvendige inneslutningen enda mer vanskelig å oppnå. For 2 D- 2 D og 2 D- 3 He utgjør tapene fra Bremsstrahlung et alvorlig problem, kanskje til og med blokkerende. For 3 He- 3 He, p + - 6 Li og p + - 11 B, ser tapene fra Bremsstrahlung ut til å gjøre det umulig å realisere en fusjonsreaktor som bruker disse drivstoffene med et isotrop kvasianøytralt plasma. Denne begrensningen gjelder ikke for ikke-nøytrale plasmaer, og heller ikke for anisotrope plasmaer , som imidlertid har sine egne utfordringer.
Det er mange utfordringer med hensyn til pålitelighet og sikkerhet for langvarig drift. De varierer avhengig av reaktortype.
De gjelder spesielt:
Etter beslutningen i 2006 om å gjennomføre ITER- prosjektet i Frankrike, ble flere franske institusjoner for høyere utdanning med i en føderasjon av "Training in Fusion Sciences". Denne opplæringen tar sikte på å forberede forskere og ingeniører på høyt nivå, franske eller utenlandske, som kan investere i programmer relatert til forskning på plasma, fusjon og energi. Spesielt i vitenskapelig og teknisk utnyttelse av stort tilknyttet utstyr. Masterens spesialitet dekker derfor alle vitenskapelige og teknologiske felt angående medier ionisert av teoretiske, simulerings- og eksperimentelle tilnærminger og tilbyr tverrfaglig utdannelse på plasmaer, i all sin variasjon, materialer under bestråling, kryoteknologi og superledningsevne, veldig høy effektoppvarming med mikrobølger eller lasere og instrumenter i ekstreme miljøer. Opplæringen foregår gjennom tre kurs: to fokuserer på fysikk ( fusjon ved magnetisk inneslutning og magnetiserte plasmaer på den ene siden, fusjon ved inertiinneslutning og tette plasmas på den annen side), et tredje kurs er mer teknologisk i innhold. Og omfavner fysikk og teknologier for plasma og fusjon.
Ved sammenslåing av visse universiteter har åtte institusjoner, fordelt på fire steder i Frankrike, medtillatelse til å levere dette vitnemålet, med kurs som foregår parallelt på disse stedene og under gruppering av studenter i Cadarache og Bordeaux:
Fire ingeniørskoler er også tilknyttet: