Fuziune nucleară

Dezambiguizare - Dacă sunteți în căutarea unei accidente foarte grave de topire a nucleului unui reactor nuclear , care nu este un caz de fuziune nucleară, consultați Nuclear Meltdown .

Diagrama de reacție exotermă DT ( deuteriu - tritiu ) cu producția de heliu și de energie. ^[1]

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

Deoarece fuziunea este posibilă, nucleele trebuie apropiate unele de altele, folosind o mare 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 miezul produs de reacție are o masă mai mică decât suma maselor nucleelor ​​reactanților. Pentru atomii cu numere atomice mai mari în schimb, reacția este endotermă , adică absoarbe energia. Unele reacții (în primul rând 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 nucleelor ​​atomice este mecanismul de la baza stelelor , emisia de lumină și care face posibilă menținerea constantă a dimensiunii lor, prevenind colapsul gravitațional . Fuziunea a fost produsă artificial mai întâi peste cincizeci de ani pentru a spori puterea unei bombe atomice : acest tip de artilerie a fost numită bombă H. Din cei șaizeci de ani , au fost efectuate multe experimente pentru a exploata energia produsă prin fuziune, în primul rând pentru a produce electricitate. Reactoarele de fuziune sunt încă în proces de proiectare și construcție.

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 etapele ciclului principal de fuziune nucleară în stele au fost realizate de Hans Bethe . Cercetările privind fuziunea în scopuri militare au început la începutul anilor '40 ca parte a Proiectului Manhattan , dar acest lucru a fost realizat abia în 1951 (în exploziile nucleare din „ Operațiunea seră ). Fuziunea nucleară a fost utilizată în scopuri militare pentru prima dată la 1 noiembrie a anului 1952 , în timpul exploziei bombei cu hidrogen numită în jargon Ivy Mike .

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 realizării unui reactor de fuziune nucleară controlată cu izolare magnetică, tipul mai tradițional, tipul tokamak .

Descriere

Prezentare generală a reacțiilor

Secțiuni transversale medii (viteza de reacție) pentru următoarele reacții: deuteriu-deuteriu (DD), deuteriu-tritiu (DT), deuteriu-heliu-3 (He ^3-D), tritiu-tritiu (TT). Pragul pentru reacția DT de vârf este de aproximativ 70 keV, pentru reacția D-He ³ este puțin mai mare de 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 de plasmă 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 a fost până acum de a identifica reacțiile cu o temperatură scăzută (tehnic vorbind de energie prag ). Primul gând s-a dus în mod natural la imitarea 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 ridicate pentru rezistența materialelor actuale și capacitatea de a menține plasma limitată și coezivă.

Reacțiile utilizate au o temperatură mai scăzută decât cea standard din stele ( ciclul de reacție deuteriu-deuteriu și 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 + n 2 (11,3 MeV)

Alte reacții interesante, mai ales aneutronice:

reacție de fuziune aneutronica standard, cea a ^'3 He (prag de temperatură mai mare de peste trei ori; dificultăți în alimentarea cu' ³ He):

³ El + ³ El → ⁴ El + p 2

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%)

Spalarea celor ⁶ 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)

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

⁶ Li + n → T + ⁴ He

⁷ Li + n → T + ⁴ He + n

Spalarea celor 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 kiloelettronvolt : 200 de milioane de grade sunt egale cu 20 keV (pentru a efectua această conversie trebuie să se înmulțească cu constanta lui 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 neutronilor rapizi este că a fi gratuit nu poate fi limitat de un câmp magnetic , dar, spre deosebire de neutrini, neutronii interacționează într-un mediu foarte greu cu materia. În special, neutronii tind să producă oțeluri radioactive, beton armat și alte materiale structurale convenționale, transformând elementele chimice care conțin: fenomenul se numește activare neutronică . Prin urmare, prezența unor neutroni rapid face necesară utilizarea unui ecran foarte greu (de obicei plumb sau beton ). Aceasta este una dintre principalele probleme pentru un reactor 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

Fusion ³ He + D este cel mai important reprezentant tehnologic al fuziunilor aneutroniche.

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 poate deveni interesantă ca alternativă la T + D, dar ar fi necesară o creștere de peste 6 ori a intensității câmpului magnetic și, prin urmare, capacitatea de confinare, care ar putea fi asigurată de electro magneții care utilizează tehnologia superconductoarelor temperatura . Acestea ar fi în mod natural mult mai capabile să păstreze limita și coeziunea plasmei în comparație, de exemplu, cu magneții supraconductori la temperatură scăzută, oferind un câmp în jur de 1 tesla pentru referința reactorului ITER 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 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, începutul temperaturii pragului de reacție este încă mai mare decât în ​​cazul lui ³ He + D, astfel încât chiar și cu noii magneți pe bază de superconductori de temperatură ridicată este de așteptat să nu fie atins în orizontul de câteva 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, noul nucleu constituit și neutronul eliberat au o masă totală mai mică decât suma maselor nucleilor reactanți, rezultând în eliberarea unei cantități mari de energie , în principal a energiei cinetice a produselor de fuziune.

Pentru a avea loc o fuziune, nucleele trebuie să fie suficient de apropiate, astfel încât forța nucleară puternică să predomine pe repulsia Coulomb (cele două nuclee au o sarcină electrică pozitivă, se resping reciproc): acest lucru se întâmplă la distanțe foarte mici, de ordinea câtorva femometri (10 ^-15 metri). Energia necesară pentru a depăși repulsia Coulomb poate fi furnizată nucleelor ​​aducând presiune ridicată ( temperatură ridicată, aproximativ 10⁷ kelvin și / sau densitate mare).

Fuziunea nucleară, în procesele terestre, este utilizată într-un mod necontrolat pentru bombele de hidrogen și într-un mod controlat în reactoarele de fuziune termonucleare , încă în faza experimentală.

Potențialul energetic total al unui nucleu este semnificativ mai mare decât energia care leagă electronii de nucleu. Prin urmare, energia eliberată în majoritatea reacțiilor nucleare este mult 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 produce atunci energia dezvoltată de 11 tone de cărbune .

Atomii implicați în procesul de fuziune nucleară, în natură și în inginerie, sunt izotopii atomici ai hidrogenului , 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 practic nelimitate de energie fără emisia de gaze dăunătoare sau gaze cu efect de seră și 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 ar fi comparabil cu media vieții centrale (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 în loc de război sau pentru a genera electricitate și, de asemenea, ca sistem de propulsie pentru rachete , potențial mult mai eficient și mult mai puțin impact asupra mediului atât reactoare cu fisiune nucleară sau producția centralizată de energie convențională reprezentată în principal de centrale termoelectrice și centrale hidroelectrice .

Principala problemă din anii 60 până în prezent și probabil 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 bilanțul energetic pozitiv, atunci trebuie să facem și un echilibru economic pozitiv. Parametrul principal pe care inginerii 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 tipul de configurație tokamak ). ITER este un proiect internațional de cooperare între Uniunea Europeană , Rusia , China , Japonia , Statele Unite , 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 este în schimb centrul prototip care este studiat de către participanții la proiectul ITER. ^[4]

Închiderea magnetică

O plasmă constă 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 interesante care s-au dovedit a limita plasmele pentru fuziune: oglinda magnetică și torul magnetic. Oglinda magnetică este o configurație „deschisă”, adică nu este închisă în sine, în timp ce taurul (o figură geometrică în formă de „gogoașă”) este o configurație închisă în sine în jurul unei găuri centrale. Variantele taurului sunt configurații sferice , în care gaura din centrul taurului 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. Cercetări privind oglinzile magnetice și alte configurații deschise (sticlă magnetică, linie „pinch” liniară , cuspizi, ottupoli etc.) a avut o mare dezvoltare în anii 1960 - 1970 , apoi a fost abandonat pentru pierderile inevitabile ale configurației particulelor extreme. În schimb, o variantă a sistemelor toroidale, tokamak , este găsită ca fiind o soluție inițial mai simplă decât alta pentru implementarea în laborator. Acest lucru, alături de o perspectivă remunerativă viitoare, a făcut din acesta sistemul pe care cercetarea științifică din acest sector și-a 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 de generare a unui curent în plasmă) și câmpul inversat de gât (ciupire în 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: confinarea inerțială a fuziunii .

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

În bomba cu hidrogen , energia generată 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 unda termică care se propagă în compresia chiulasei și încălzește deuteriul și tritiul generând fuziune nucleară.

S-au încercat alte forme de confinare inerțială pentru reactoarele de fuziune, inclusiv utilizarea unui laser mare, concentrat pe o cantitate mică de combustibil, sau folosind aceiași ioni de combustibil accelerați către o regiune centrală, ca în Fusorul primitiv sau fuzorul Polywell .

Bor

În 2004 , oamenii de știință ruși, îndrumați de Krainov , sunt capabili să producă o reacție de fuziune nucleară controlată declanșată de confinarea cu laser, incluzând protoni (atomi de hidrogen ai fără electroni) și atomi de bor , la o temperatură de 1 miliard de kelvin , fără emisie de neutroni și particule radioactive, cu excluderea particulelor alfa . Dar puterea laser necesară o depășește pe 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 obținut recordul pentru producția 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 la experimentele anterioare. ^[11]

Bomb H

Prima aplicație tehnică a fuziunii termonucleare, în a doua jumătate a secolului al XX-lea , a fost amplificarea unei bombe atomice energetice 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, mai ales în anii 50 și 60 ai secolului XX, 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
• Falsul început al fuziunii lui Michael Moyer, Le Scienze. 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 , a Enciclopediei Britannice , Encyclopædia Britannica, Inc.
• Fusion la ENEA Frascati Center , pe fusione.enea.it.
• RFX Consortium pe igi.cnr.it. Adus la 25 august 2010 (depus de „Adresa URL originală la 1 septembrie 2009).
• (EN) EFDA , pe efda.org. Adus la 25 august 2010 (depus de „URL original 14 septembrie 2014).
• (EN) JET , pe jet.efda.org. Adus la 25 august 2010 (depus de „Adresa URL originală 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