Fuziune nucleară

Dezambiguizare - Dacă sunteți în căutarea unui accident foarte grav de topire a nucleului reactorului nuclear , care nu este un caz de fuziune nucleară, consultați Nuclear Meltdown .

Diagrama reacției exoterme DT ( deuteriu - tritiu ) cu producția de heliu și emisia de energie. ^[1]

În fizica nucleară, fuziunea nucleară este o reacție nucleară în care nucleii a doi sau mai mulți atomi se unesc pentru a forma nucleul unui nou element chimic .

Pentru ca fuziunea să fie posibilă, nucleele trebuie apropiate, folosind o cantitate mare de energie pentru a depăși repulsia electromagnetică . Fuziunea elementelor până la numerele atomice 26 și 28 ( fier și nichel ) este o reacție exotermă , adică emite energie ^[2], deoarece nucleul produs de reacție are o masă mai mică decât suma maselor reacției nuclee. Pentru atomii cu numere atomice mai mari, reacția este în schimb endotermă , adică absoarbe energia. Unele reacții (în principal cele cu un prag de energie mai scăzut, cum ar fi fuziunea de deuteriu și tritiu ) determină eliberarea unuia sau mai multor neutroni liberi; aceasta creează, în perspectiva exploatării ca sursă de energie, câteva probleme tehnologice importante legate de activarea și ecranarea neutronilor .

Procesul de fuziune a nucleilor atomici este mecanismul din spatele stelelor , făcând posibilă emiterea luminii și menținerea dimensiunii constante, prevenind colapsul gravitațional al acestora. Fuziunea a fost produsă artificial în anii 1950 pentru a amplifica puterea unei bombe atomice : acest tip de dispozitiv a fost numit bomba H. Din anii 1960 , s-au efectuat numeroase experimente pentru a exploata energia produsă prin fuziune, în primul rând pentru a produce electricitate. Reactoarele de fuziune nucleară sunt încă în curs de proiectare și construire.

fundal

Pornind de la experimentele lui Ernest Rutherford privind transmutația nucleelor , efectuate la începutul secolului al XX-lea , fuziunea izotopilor de hidrogen grei în laborator a fost efectuată pentru prima dată de Mark Oliphant în 1932: în același an James Chadwick a descoperit particula de neutroni . În restul acelui deceniu principalele etape ale ciclului de fuziune nucleară în stele au fost derivate de la Hans Bethe . Cercetările privind fuziunea în scopuri militare au început la începutul anilor 1940 ca parte a Proiectului Manhattan , dar acest lucru nu a fost realizat decât în ​​1951 (în exploziile nucleare ale operațiunii Greenhouse ). Fuziunea nucleară a fost folosită în scopuri de război pentru prima dată la 1 noiembrie 1952 , în timpul exploziei bombei H numită Ivy Mike în jargon.

Cercetările privind dezvoltarea fuziunii termonucleare controlate în scopuri civile au început în mod sistematic în anii 1950 și continuă astăzi. Printre altele, sunt în curs de desfășurare două proiecte cu scopul de a demonstra tehnologia: ITER ^[3] și DEMO . În Italia , ENEA studiază posibilitatea construirii unui reactor de fuziune nucleară controlată cu izolare magnetică, de tipul mai tradițional, de tip tokamak .

Descriere

Prezentare generală a reacțiilor

Secțiuni medii (viteza de reacție) pentru următoarele reacții: deuteriu-deuteriu (DD), deuteriu-tritiu (DT), deuteriu-heliu-3 (D-He ³ ), tritiu-tritiu (TT). Pragul pentru vârful de reacție DT este de aproximativ 70 keV, pentru reacția D-He ³ este puțin peste 100 keV; pentru reacțiile DD este peste 100 keV și în mod similar pentru TT. În cazul DD, viteza de reacție este cumulativă pentru ambele reacții care implică deuteriu. Datele din care a fost desenat graficul au fost obținute din formularul plasmatic NRL (pagina 45). NRL Plasma Formulary poate fi descărcat de la https://web.archive.org/web/20090901213536/http://wwwppd.nrl.navy.mil/nrlformulary/NRL_FORMULARY_09.pdf

(D este simbolul convențional pentru deuteriu , ² H și T pentru tritiu )

Pentru realizarea reactoarelor de fuziune , prima problemă de până acum a fost aceea de a identifica reacțiile cu o temperatură scăzută (tehnic vorbim de energie prag ). Primul gând s-a dus în mod natural la imitația naturii: știm că fuziunea este sursa de energie a stelelor , inclusiv a Soarelui , în care gazul fierbinte este ținut limitat și coeziv prin propria lor gravitație, așa cum a fost cazul. paragrafele anterioare. Reacțiile stelelor, cu toate acestea, din păcate au temperaturi prag prea mari pentru rezistența materialelor actuale și capacitatea de a menține plasma limitată și coezivă.

Reacțiile care vor fi utilizate au o temperatură mai scăzută decât cele standard din stele (reacția deuteriu-deuteriu și ciclul carbon-azot-oxigen ):

( ⁴ He helium-4 , ³ He helium-3 )

reacție artificială standard: DT (cel mai mic prag, ~ 14 keV )

D + T → ⁴ He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV )

reacția stelelor: DD (cele două reacții apar cu aceeași frecvență)

D + D → T (1,01 MeV) + p (3,02 MeV )

D + D → ³ He (0,82 MeV ) + n (2,45 MeV )

Reacție TT

T - T → ⁴ He + 2 n (11,3 MeV)

Alte reacții interesante, mai ales aneutronice:

reacția fuziunii aneutronice standard, cea a ³ He (prag de temperatură mai mare de trei ori; dificultate în alimentarea cu ³ He):

³ El + ³ El → ⁴ El + 2 p

D + ³ He → ⁴ He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV)

T + ³ He → ⁴ He (0,5 MeV) + n (1,9 MeV) + p (11,9 MeV) (51%)

T + ³ He → ⁴ He (4,8 MeV) + D (9,5 MeV) (43%)

T + ³ He → ⁵ He (2,4 MeV) + p (11,9 MeV) (6%)

umărul celui de-al ⁶ - ^lea Li

p + ⁶ Li → ⁴ He (1,7 MeV) + ³ He (2,3 MeV)

D + ⁶ Li → 2 ⁴ He (22,4 MeV)

³ He + ⁶ Li → 2 ⁴ He + p (16,9 MeV)

reacții de activare a neutronilor de tritiu, utilizate în bombele de fuziune „uscate” și în unele modele de reactoare de fuziune:

⁶ Li + n → T + ⁴ He

⁷ Li + n → T + ⁴ He + n

umăr de ¹¹ B

p + ¹¹ B → 3 ⁴ He (8,7 MeV)

Reacție artificială

Reacția (de departe) cea mai studiată de zeci de ani, de a folosi fuziunea într-un reactor al unei centrale pentru a produce electricitate, este fuziunea deuteriu-tritiu (DT), deoarece este cea care necesită cea mai scăzută temperatură. Reacția are o temperatură prag de aproximativ 200 de milioane de grade . De fapt, în jargonul tehnic, temperatura este exprimată în kiloelectron volți : 200 de milioane de grade sunt egale cu 20 keV (pentru a face această conversie trebuie să vă înmulțiți cu constanta Boltzmann ). Dezavantajul reacției standard DT, cel mai rece, este producerea de neutroni cu energie foarte mare (14,1 MeV): pentru a da o idee, de aproximativ 7 ori energia standard a unui neutron cu fisiune rapidă, care corespunde cu cea produsă de fisiunea nucleară reacția uraniului 235 . Problema cu neutronii rapizi este că, lipsiți de sarcină, nu pot fi limitați de un câmp magnetic , dar, spre deosebire de neutrini , neutronii interacționează foarte puternic cu materia. Neutronii, în special, tind să producă oțeluri , beton armat și alte materiale structurale convenționale radioactive, transformând elementele chimice pe care le conțin: fenomenul se numește activare neutronică . Prin urmare, prezența unor neutroni rapizi face necesară utilizarea scuturilor foarte grele (de obicei plumb sau beton armat ). Aceasta este o problemă majoră pentru un reactor de deuteriu-tritiu, cum ar fi ITER . Pe de altă parte, neutronii sunt o sursă de căldură în interiorul pereților reactorului, care este exploatată în producția de energie electrică. Mai mult, neutronii sunt folosiți pentru a produce tritiu prin reacțiile de captare a neutronilor de litiu, prin curgerea în spatele pereților plasmatici ai litiului sau a unui aliaj de litiu-plumb în care plumbul se protejează spre exterior și ajută la înmulțirea neutronilor rapidi. Prin creșterea ratei de conversie a litiului în tritiu. .

Reacție aneutronică

Fuziunea ³ He + D este cel mai important reprezentant tehnologic al fuziunii aneutronice .

Temperatura sa prag pentru reacția ³ He + D a fost măsurată la aproximativ 580 milioane de grade (50 keV), iar cea a DT este de 175 milioane de grade (15 keV): creșterea temperaturii este de aproximativ 3, 3 (vezi figura anterioară cu curbele probabilității de reacție la diferite temperaturi).

Această reacție ar putea deveni interesantă ca alternativă la T + D, dar ar fi necesar să se mărească intensitatea câmpului magnetic și, prin urmare, capacitatea de confinare, de mai mult de 6 ori, care ar putea fi oferită de către magneții care folosesc tehnologia supraconductoare la temperaturi ridicate . Acestea ar fi, în mod natural, mult mai capabile să mențină plasma limitată și coezivă decât de exemplu magneții supraconductori cu temperatură scăzută, care dau un câmp în jur de 1 tesla pentru reactorul ITER de referință din Provence. De fapt, o plasmă de ³ He și D în jur de 580 milioane de grade produce, de asemenea, fuziuni secundare de tip D + D, care sunt neutronice: acest lucru poate fi văzut din apropierea curbelor celor ³ reacții He + D și D + D din această regiune de temperatură. De fapt, neutronii reacției standard D + T au o energie foarte mare, de aproximativ 7 ori mai mare decât a neutronilor generați de fisiunea standard a uraniului 235 și, prin urmare, sunt mult mai pătrunzători. În schimb, neutronii lent ai D + D sunt mai puțini și pătrund în mod similar cu cei de fisiune standard, deoarece au o energie similară; în cele din urmă, ele activează mult mai puțin materialele structurale ale reactorului și, prin urmare, pun mai puține probleme pentru ecranare și eliminare.

Din păcate, cele două fuziuni aneutronice cele mai studiate în trecut în scopuri militare au fost cea a heliului-3 cu tritiu și cea a litiului-6 cu deuteriul.

Reacția stelelor

Există studii care explorează posibilitățile de exploatare pașnică a reacției care are loc în stele, reacția deuteriu-deuteriu (DD), care în 50% din cazuri produce neutroni cu o energie mult mai mică (aproximativ 2,5 MeV). Cu toate acestea, temperatura de prag a reacției este chiar mai mare decât în ​​cazul ³ He + D, astfel încât chiar și cu noii magneți pe bază de superconductori de temperatură ridicată, se crede că nu poate fi atins în decurs de câțiva zeci de ani.

Cinetica reacțiilor

În masa de fuziune nucleară și energia ei sunt legate de teoria specială a relativității lui Einstein conform ecuației:

E = mc ²

in care:

E este energie;

m este masa ;

c ² este pătratul vitezei luminii în vid.

În acest tip de reacție, nucleul nou format și neutronul eliberat au o masă totală mai mică decât suma maselor nucleilor care reacționează, rezultând în eliberarea unei cantități mari de energie , în principal a energiei cinetice a produselor de fuziune.

Pentru ca o fuziune să aibă loc, nucleele trebuie să fie suficient de apropiate, astfel încât forța nucleară puternică să predomine asupra repulsiei Coulomb (cele două nuclee au o sarcină electrică pozitivă, se resping reciproc): aceasta se produce la distanțe foarte mici, de ordinul câtorva femtometre (10 ⁻¹⁵ metri). Energia necesară pentru a depăși repulsia Coulomb poate fi furnizată nucleelor ​​aducându-le la presiune foarte mare ( temperatură foarte ridicată, aproximativ 10⁷ kelvin și / sau densitate foarte mare).

Fuziunea nucleară, în procesele terestre, este utilizată într-o formă necontrolată pentru bombele de hidrogen și într-o formă controlată în reactoarele de fuziune termonucleară , încă în faza experimentală.

Energia potențială totală a unui nucleu este considerabil mai mare decât energia care leagă electronii de nucleu. Prin urmare, energia eliberată în majoritatea reacțiilor nucleare este considerabil mai mare decât cea a reacțiilor chimice . De exemplu, energia de legare a electronului la nucleul de hidrogen este de 13,6 eV, în timp ce energia eliberată de reacția DT prezentată mai jos este de 17,6 MeV, adică de peste un milion de ori prima. Cu un gram de deuteriu și tritiu , ar putea fi produsă energia dezvoltată de 11 tone de cărbune .

Atomii implicați în procesul de fuziune nucleară, în natură și în inginerie, sunt izotopii atomului de hidrogen , caracterizați printr-un număr atomic minim, care corespunde energiei minime de aprindere. Cu toate acestea, fuziunea elementelor mai grele este posibilă și în cele mai mari stele, se crede până la fier.

Fuziunea nucleară controlată ar putea rezolva majoritatea problemelor energetice de pe pământ, deoarece ar putea produce cantități aproape nelimitate de energie fără emisii de gaze dăunătoare sau gaze cu efect de seră și cu producerea de cantități limitate de deșeuri radioactive, inclusiv tritiu; o cantitate mică de radioactivitate reziduală ar afecta doar unele componente ale reactorului de fuziune supus bombardamentului cu neutroni în timpul proceselor de fuziune. Cu toate acestea, aceste componente ar fi ușor de înlocuit; timpul de înjumătățire al radioactivității reziduale ar fi comparabil cu durata medie de viață a plantei (zeci de ani).

Aplicații

Sursa de energie civilă

În ultimii șaizeci de ani s-a depus un efort considerabil teoretic și experimental pentru a dezvolta fuziunea nucleară în scopuri civile mai degrabă decât de război sau pentru a genera electricitate și, de asemenea, ca sistem de propulsie pentru rachete , potențial mult mai eficient și cu un impact mult mai mic asupra mediului atât nuclear reactoare de fisiune sau producția centralizată de energie convențională reprezentată în principal de centrale termoelectrice și hidroelectrice .

Principala problemă din anii 1960 până în prezent și probabil și pentru viitorul previzibil este dificultatea de a realiza un bilanț energetic pozitiv al reactorului. Până în prezent, de fapt, nu a fost încă posibil să se construiască un reactor care produce în mod normal mai multă energie electrică în timpul funcționării sale continue decât consumă pentru alimentarea magneților și a sistemelor auxiliare. Odată ce soldul energetic pozitiv a fost atins, trebuie asigurat și un echilibru economic pozitiv . Parametrul principal pe care tehnicienii îl folosesc pentru a evalua pozitivitatea echilibrului energetic al unui reactor este parametrul Lawson .

În prezent, cel mai avansat reactor de fuziune este ITER : ^[3] un reactor de fuziune termonucleară (bazat pe configurația de tip tokamak ). ITER este un proiect internațional de cooperare între Uniunea Europeană , Rusia , China , Japonia , Statele Unite ale Americii , Coreea de Sud și India . Cu toate acestea, ITER nu este încă prototipul unei instalații de producere a energiei electrice, ci doar o mașină experimentală menită să demonstreze că poate obține condițiile necesare de câștig de energie. DEMO, pe de altă parte, este prototipul unei unități centrale studiate de aceiași participanți la proiectul ITER. ^[4]

Închiderea magnetică

O plasmă este formată din particule încărcate și, prin urmare, poate fi limitată de un câmp magnetic adecvat. Se cunosc multe modalități de a genera un câmp magnetic capabil să izoleze o plasmă în fuziune; cu toate acestea, în toate aceste configurații, particulele încărcate care alcătuiesc plasma interacționează inevitabil cu câmpul, afectând eficiența închiderii și încălzind sistemul. Există două geometrii care s-au dovedit interesante pentru a limita plasmele prin fuziune: oglinda magnetică și torul magnetic . Oglinda magnetică este o configurație „deschisă”, adică nu este închisă în sine, în timp ce torul (o figură geometrică în formă de „gogoașă”) este o configurație închisă în sine în jurul unei găuri centrale. Variantele torului sunt configurațiile sferice , în care gaura din centrul torului este foarte mică, dar încă prezentă.

Fiecare dintre aceste sisteme de confinare are întruchipări diferite, care diferă între ele prin sublinierea eficienței confinării sau prin simplificarea cerințelor tehnice necesare pentru realizarea câmpului magnetic. Cercetările privind oglinzile magnetice și alte configurații deschise (sticle magnetice, „ ciupituri ” liniare , cuspizi, octupoli etc.) au avut o mare dezvoltare în anii 1960 - 1970 , apoi au fost abandonate din cauza pierderilor inevitabile de particule la extreme a configurației. În schimb, o variantă a sistemelor toroidale, tokamak , s-a dovedit a fi o soluție inițial mai simplă decât altele pentru implementarea în laborator. Acest lucru, alături de o perspectivă remunerativă viitoare, a făcut din acesta sistemul pe care cercetările științifice din acest sector și-au făcut pașii cei mai semnificativi. În prezent, cel mai promițător experiment în acest domeniu este proiectul ITER . Cu toate acestea, există variante de configurații toroidale, cum ar fi stelaratorul (care se caracterizează prin absența unui circuit pentru a genera un curent în plasmă) și ciupirea cu câmp invers .

În 2009, folosind mașina RFX din Padova, s-a demonstrat experimental că, în conformitate cu prevederile unui model matematic, închiderea poate fi îmbunătățită dând plasmei prezente în Pinchul de câmp inversat o formă elicoidală. ^[5]

Închiderea inerțială

Același subiect în detaliu: fuziunea de închidere inerțială .

Combustibilul nuclear poate fi comprimat la aprindere printr-un bombardament de fotoni, alte particule sau printr-o explozie. ^{[6] [7]} În cazul exploziei, timpul de închidere va fi destul de scurt. Acesta este procesul utilizat în bomba cu hidrogen , în care o explozie puternică dintr-o bombă de fisiune nucleară comprimă un cilindru mic de combustibil de fuziune.

În bomba cu hidrogen , energia dezvoltată de o bombă de fisiune nucleară este utilizată pentru a comprima combustibilul, de obicei un amestec de deuteriu și tritiu , până la temperatura de topire. Explozia bombei de fisiune generează o serie de raze X care creează o undă termică care, propagându-se în focos, comprimă și încălzește deuteriul și tritiul, generând fuziunea nucleară.

S-au încercat alte forme de confinare inerțială pentru reactoarele de fuziune, inclusiv utilizarea de lasere mari concentrate pe o cantitate mică de combustibil sau folosirea ionilor de combustibil în sine accelerați către o regiune centrală, ca în topitorul primitiv Farnsworth-Hirsch. fuzorul Polywell .

Bor

In 2004 , oamenii de știință ruși, condus de Krainov , au putut să producă o reacție de fuziune nucleară controlată declanșată de confinare cu laser, între protoni (atomi de hidrogen fără un electron) și bor atomi, la o temperatură de la 1 bilion kelvin , fără emisie. De neutroni și particule radioactive, cu excepția particulelor alfa . Dar energia necesară laserului depășește cu mult cea produsă de reacție ^{[8] [9] [10]} .

În ianuarie 2013, un grup de cercetători italieni și cehi conduși de Dr. Antonino Picciotto (instalația Micro-nano, Fondazione Bruno Kessler, Trento) și de Dr. Daniele Margarone (Institutul de Fizică ASCR, vvi (FZU), ELI-Beamlines Project , 182 21 Praga, Republica Cehă) a atins recordul pentru producerea de particule alfa (10 ^ 9 / steradian) fără emisie de neutroni, folosind pentru prima dată o țintă hidrogenată cu siliciu-bor și un laser cu o intensitate de 1000 de ori mai mică comparativ cu experimentele anterioare . ^[11]

Bomb H

Prima aplicație tehnică a fuziunii termonucleare, în a doua jumătate a secolului al XX-lea , a fost amplificarea energiei unei bombe atomice obținută prin înconjurarea ei cu o înveliș exterior de hidrogen: acest dispozitiv se numește bombă H. Până în prezent, acest dispozitiv nu a fost folosit niciodată pe o țintă civilă, ci doar a experimentat în locuri de testare efectuate de marile puteri ale războiului rece, în special în anii 50 și 60 ai secolului al XX-lea, în atolii oceanului Pacific , provocând permanent distrugerea siturilor (cazul emblematic este atolul Bikini : din 1997 atolul a fost declarat din nou locuibil, dar insulele rămân încă nelocuite și există riscuri mari pentru populație) și o creștere substanțială a fondului natural de radioactivitate pe tot parcursul planeta în acei ani.

Notă

Bibliografie

• (EN) Weston Stacey, The Quest for Fusion Energy Reactor: An Insider's Account of the INTOR Workshop, SUA Oxford University Press, 2010. ISBN 0-19-973384-8
• ( EN ) Peter Stott, Garry McCracken, The Energy of the Universe (Complementary Science Series), Academic Press (Londra), 2004. ISBN 0-12-481851-X
• ( EN ) AA Harms și colab. Principiile energiei de fuziune . World Scientific Publishing, 2000. ISBN 981-238-033-7
• (EN) Weston Stacey, Fusion, Wiley VCH Verlag, 2010. ISBN 3-527-40967-X
• ( EN ) John Wesson, Tokamaks . Oxford University Press, SUA; Ediția a 3-a, 768 de pagini (5 ianuarie 2004). ISBN 0-19-850922-7
• ( EN ) Stefano Atzeni și Juergen Meyer-ter-Vehn, Fuziune de confinare inerțială . Presa Universitatii Oxford; 458 + pagini xxi (2004). ISBN 0-19-856264-0
• ( EN ) Kenro Miyamoto, Fizica plasmatică și fuziunea nucleară controlată . Seria Springer de fizică atomică, optică și plasmatică, 1 ediție, 371 de pagini (21 iulie 2005). ISBN 3-540-24217-1
• ( EN ) Jeffrey P. Freidberg, Plasma Physics and Fusion Energy , prima ediție, Cambridge, Cambridge University Press, 2008, ISBN 978-0-521-73317-5 . Oficial al cărții Google de Cambridge University Press
• Începutul fals al fuziunii de Michael Moyer, în Le Scienze n. 501, mai 2010

Elemente conexe

• Fuziune nucleară rece
• Tokamak
• ITER
• IGNITOR
• Criteriul lui Lawson
• Fizica plasmatică
• Bomba cu hidrogen
• Hidrogen
• Deuteriu
• Tritiu
• Bombă nucleară
• Esențial pentru fuziune
• Injectoare neutre pentru fuziune

Alte proiecte

• Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre fuziunea nucleară

linkuri externe

• ( EN ) Fuziune nucleară , pe Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
• Fuziune la Centrul ENEA din Frascati , pe fusion.enea.it .
• Consorzio RFX , onigi.cnr.it . Adus la 25 august 2010 (arhivat din original la 1 septembrie 2009) .
• ( EN ) EFDA , pe efda.org . Adus la 25 august 2010 (arhivat din original la 14 septembrie 2014) .
• ( EN ) JET , pe jet.efda.org . Adus la 25 august 2010. Arhivat din original la 23 iulie 2009 .
• ( EN ) Fusion For Energy , pe fusionforenergy.europa.eu .
• ( EN ) ITER , pe iter.org .
• ( RO ) IUPAC Gold Book, „reacție de fuziune nucleară” , pe goldbook.iupac.org .

Portale Energia nucleare

Portale Fisica