Оглавление:
Основы термоядерной энергетики
- Использование плазмы в энергетических установках плазмы является уникальным рабочим телом качественно новой энергии может быть как низкая температура (до 10KK), так и высокая температура (10⁶K или больше).Криогенная плазма используется в электротермических термодинамических (МГД) генераторах и термоэлектрических преобразователях (ТЭЦ), а горячая плазма-в термоядерных электростанциях.
Плазма используется либо в качестве активной среды в Лазере (например, в газоразрядном лазере), либо в качестве источника возбуждения в активной среде лазера (электронная накачка). It известно, что в условиях проведения термоядерной реакции масса ядра (за исключением водорода) меньше суммы масс его протонов и нейтронов. Разница между ними называется дефектом массы. Дефект массы на нуклон (протоны или нейтроны) равен отношению дефицита массы ядра к его массовому числу.
Рассмотрим основные принципы работы и создания термоядерных электростанций и МГД генераторов. Людмила Фирмаль
Максимальное значение дефекта массы на нуклон составит массовое число, равное примерно 60.To увеличение дефекта массы на нуклон может увеличить выход энергии путем деления тяжелых ядер или путем синтеза (слияния) легких ядер, основанного на законе эквивалентности массы и энергии. Реакции деления лежат в основе атомной (ядерной) энергии, а реакции слияния — в основе термоядерной energy. In в связи с развитием термоядерной энергетики и созданием принципиально новых установок термоядерных реакторов, обеспечивающих управляемый термоядерный синтез, открываются большие возможности.
Мы расскажем вам об основах термоядерного синтеза и условиях его проведения implementation. As известно, что в химических реакциях участвует только внешняя оболочка атомов и молекул, а ядро нет change. So реакция горения дейтерия в кислороде с выделением тепла (изотопа дейтерия) Q имеет вид Di + O-DÃOO+ Q, где (2-350 кДж/кг. Вид D)+ 1Hc +и + 3,3 МэВ; 1 T 4 p + 4 МэВ; J I)+ T — » ⁴Не + и + 17,6 МэВ, где t-тритий (супер дейтерий). Лне и ⁴Не-изотопы гелия. п-ее трон; р-это .
Протон. Энергия, выделяемая в ходе этих реакций, представляет собой энергию (7.1) (7-2) плазменного изотопа, более чем в 10 раз превышающую частичную или полную ионизацию газа, в котором плотность положительных или отрицательных зарядов приблизительно одинакова. Термоядерные реакции — это ядерные реакции между легкими атомными ядрами, которые происходят при очень высоких температурах (около кг К и выше).
Теплота сгорания равна 1!Об атоме бензина. В нормальных условиях энергия активации EL, необходимая для преодоления кулоновского энергетического барьера, очень велика, поэтому реакции (7.1) и (7.2) не происходят: Ed = C1C2 /(euog) (0.01–0.1) МэВ (1.01⁵-101⁴) J, где (7.3).]И Е ’ 2-заряд сталкивающегося атомного ядра. g10 ′ 1⁵h-101⁶m — расстояние между ядрами.
Поскольку ядро может преодолеть электростатический барьер, вызванный взаимным отталкиванием ядра кинетической энергией, температура, при которой происходит реакция термоядерного синтеза, очень высока, в результате чего около 10⁸-10⁹K. At при такой температуре любое вещество состоит из атомных ядер и свободных электронов, которые будут находиться в полностью ионизированном плазменном состоянии.
Поскольку реакция (7.2) протекает при температуре около 4-10⁷к, она выгодна с точки зрения энергии. С другой стороны, реакция (7.1) требует температуры около 310⁸K. Для того чтобы скорость выделения энергии соответствовала скорости выделения энергии химической реакции, необходимо использовать дейтерий тритий с плотностью около 10 минут на 1 плотность бензина. Однако фактическое осуществление реакции (7.1) и (7.2) является очень сложной задачей. d) Evy> Evh, где (7.4)d) — коэффициент преобразования внутренней энергии в электрическую, то термоядерная реакция энергетически благоприятна.
Энергия, выделяемая при термоядерных реакциях. Эм — это энергия, затрачиваемая на осуществление реакции, то есть нагрев рабочего материала до необходимой температуры и компенсацию потерь излучения. Рассмотрим реакцию(7.2). в ходе этой реакции выделяется энергия EU> 1X-17.6 на единицу объема CrLdIDvr, (7.5) энергия, затрачиваемая на выполнение этой реакции, Å » =ЗА7 (il + RT)+ en/.,,,, (7.6) здесь Кр-условие равновесия реакции; Пдии-число ядер дейтерия и трития в icm3, или концентрации частиц. tbᵣ-это время реакции. k-постоянная Больцмана.
T-температура реакции. ЕС-потери энергии из-за излучения от плазмы единичного объема на единицу time. At температуры T> K) ⁶K, основным видом излучения является тормозное излучение, интенсивность которого составляет 15 = 10⁴⁰Z2ₙ, » r / a;. (7.7) Z-номер счета. А ne-это концентрация ионов (ядер) и электронов соответственно. 1 ′ e-электронная температура. Потери излучения очень велики, только при температуре T = 3. 210⁸k реакции (7.1) и по крайней мере 7 = 4-i0i K реакции (7.2), выход энергии выше, чем у тормозного излучения.
- Эта температура называется пороговой температурой. Конечно, в реальных условиях, температура должна превышать пороговое значение. Используя температуру реакции (7)= K) ⁸K реакции (7.2), можно получить условия для этой реакции в виде неравенств>IO2⁰s / m (7.8), принимая во внимание уравнение(7.5) — (7.7) из уравнения (7.4), где n = nd + u-общее число ядер. Для реакции при рабочей температуре 7 = 10°K>I022s /м3(7.1). (7.9) условие(7.8) и(7.9) называются условиями Лоусона(или критериями).
Таким образом, для проведения термоядерной реакции с положительным выходом энергии необходимо нагреть плазму определенной концентрации до температуры, почти равной K) ⁸ -K) ⁹K, и поддерживать ее в течение определенного периода времени с обязательным выполнением условий Лоусона. Нагрев плазмы и ее удержание до температуры термоядерных реакций является наиболее сложной научно-технической задачей task. It это основной и наиболее развитый метод!
Однако при повышении температуры плазмы ее проводимость увеличивается пропорционально. Людмила Фирмаль
Рассеяние плазмы до требуемой температуры — это метод Ом, то есть метод прохождения плазмы через плазму. T3’2, поэтому предел омической температуры не может быть выше (1-2) — K) ⁷K. В настоящее время наиболее перспективными являются инжекционные, высокочастотные, лазерные, турбулентные, теплоизоляционные и др. Метод инжекции основан на дополнительном введении в плазму быстрых нейтральных атомов дейтерия и трития.
Источник быстрых нейтралей называется инжектором. Нейтральные атомы мягко проходят через магнитное поле, чтобы достичь и ионизировать уже нагретую плазму методом ом. Полученные ионы удерживаются магнитным полем. При столкновении с другими частицами они передают частицам часть своей энергии, тем самым дополнительно нагревая плазму. Эксперименты инжекционного нагрева в различных установках показали, что температура плазмы-Иона 7j возрастает почти линейно по мере увеличения выхода инжектора.
Питание системы впрыска и ее управление являются сложными задачами, в которых используется большое количество инжекторов(мощность 1 инжектора составляет около I-5 м Вт).Но главная трудность при осуществлении термоядерных реакций заключается в нестабильности плазмы. Когда ток проходит через высокотемпературную плазму, он втягивается в шнур, разделяется на отдельные пучки, закручивается в спираль и необычайно быстро дрейфует по магнитному полю, сотрясаясь от процессов различных волн.
Сильные локальные электрические поля (приводящие к появлению микроскопического или кинетического электрического поля) обусловлены связанным движением ионов и электронов (в плазме возникает макроскопическая или магнитогидродинамическая неустойчивость) и относительным движением отдельных групп ионов и электронов. Система удержания плазмы должна обеспечивать стабильное равновесие плазмообразования в течение времени 1вр, необходимого для удовлетворения требований.
Лоусона requirements. By по времени tᵣₚ термоядерные электростанции можно разделить на квазистационарные и pulsed. In квазистационарная установка, плазма ограничена магнитным полем. field. In в этом случае давление pm, создаваемое магнитным полем, прикладывается к динамическому давлению p, плазмы, т. е. должно быть больше s. pm = 0. 5V2 / po> kT(pa + ID, B-индукция ограничивающего магнитного поля.
Для этого типа установки, значение концентрации частицы 1%K) 2) — g K) 22m3, время удерживания T l 10-g 0, 1s. Суть его заключается в нагревании и сжатии небольшого шарика термоядерного топлива (смеси дейтерия и трития) до таких значений температуры и плотности с помощью мощного лазерного излучения или мощного релятивистского электронного пучка (рэп).
Термоядерная реакция успевает завершиться за короткое время существования ничего, кроме плазмы. Для данного типа установки концентрация частиц составляет «K)2⁵4-1031 м3, время удержания g» Yu11= — = −10 С С. эффективность системы удержания магнитной плазмы характеризуется отношением кинематического давления плазмы к давлению удерживающего магнитного поля. = Пр / ПМ » РТ (ЛД +u₇)/ [0. 5B2 / poJ.
Если магнитное поле не проникает в плазму, то минимальное значение индукции поля составляет RPip. Для параметров термоядерной плазмы, обычно Wt-1 Gl на практике, P I и B l (5 ~ r6)Bᵣₐᵤₗ.Определена эффективность системы с инерционным удержанием плазмы. Так как энергия, выделяемая в результате термоядерной реакции, пропорциональна i2, тся плазменной концентрацией частиц, полученных в процессе термоядерного синтеза.
Смотрите также:
| Реактивные двигатели | Термоядерные энергетические установки |
| Основные параметры и характеристики | Энергетические установки с МГД-генераторами |
