Des projets innovants utilisant des supraconducteurs modernes permettront bientôt une fusion thermonucléaire contrôlée, selon certains optimistes. Les experts prédisent cependant que l'application pratique prendra plusieurs décennies.

Pourquoi est-ce si difficile?

L'énergie de fusion est considérée comme une source potentielle, c'est l'énergie pure d'un atome. Mais qu'est-ce que c'est et pourquoi est-ce si difficile à réaliser ? Vous devez d'abord comprendre la différence entre la fusion classique et la fusion thermonucléaire.

La fission de l'atome consiste dans le fait que des isotopes radioactifs - uranium ou plutonium - sont scindés et transformés en d'autres isotopes hautement radioactifs, qui doivent ensuite être enfouis ou recyclés.

La synthèse consiste dans le fait que deux isotopes de l'hydrogène - le deutérium et le tritium - fusionnent en un seul ensemble, formant de l'hélium non toxique et un seul neutron, sans produire de déchets radioactifs.

Problème de contrôle

Les réactions qui se produisent sur le Soleil ou dans une bombe à hydrogène sont la fusion thermonucléaire, et les ingénieurs sont confrontés à une tâche ardue - comment contrôler ce processus dans une centrale électrique ?

C'est un sujet sur lequel les scientifiques travaillent depuis les années 1960. Un autre réacteur de fusion expérimental appelé Wendelstein 7-X a commencé à fonctionner dans la ville de Greifswald, dans le nord de l'Allemagne. Il n'est pas encore conçu pour créer une réaction - c'est juste une conception spéciale qui est testée (un stellarator au lieu d'un tokamak).

plasma à haute énergie

Toutes les centrales thermonucléaires ont caractéristique commune- en forme d'anneau. Il est basé sur l'idée d'utiliser de puissants électroaimants pour créer un champ électromagnétique puissant en forme de tore - un tube de vélo gonflé.

Ce champ électromagnétique doit être si dense que lorsqu'il est chauffé dans four micro-onde jusqu'à un million de degrés Celsius, le plasma devrait apparaître au centre même de l'anneau. Il est ensuite allumé pour que la fusion thermonucléaire puisse commencer.

Démonstration des possibilités

Deux expériences de ce type sont actuellement en cours en Europe. L'un d'eux est le Wendelstein 7-X, qui a récemment généré son premier plasma d'hélium. L'autre est ITER, une immense installation expérimentale de fusion dans le sud de la France qui est encore en construction et sera prête à être mise en service en 2023.

On s'attend à ce que de véritables réactions nucléaires aient lieu à ITER, mais seulement pour une courte période de temps et certainement pas plus de 60 minutes. Ce réacteur n'est qu'une étape parmi tant d'autres sur la voie de la réalisation de la fusion nucléaire.

Réacteur à fusion : plus petit et plus puissant

Récemment, plusieurs concepteurs ont annoncé une nouvelle conception de réacteur. Selon un groupe d'étudiants du Massachusetts Institute of Technology, ainsi que des représentants de la société d'armement Lockheed Martin, la fusion peut être réalisée dans des installations beaucoup plus puissantes et plus petites qu'ITER, et ils sont prêts à le faire dans les dix années.

L'idée de la nouvelle conception est d'utiliser des supraconducteurs modernes à haute température dans des électroaimants, qui présentent leurs propriétés lorsqu'ils sont refroidis avec de l'azote liquide, plutôt que des conventionnels, qui nécessitent une nouvelle technologie plus flexible qui changera complètement la conception du réacteur.

Klaus Hesch, responsable de la technologie à l'Institut de technologie de Karlsruhe, dans le sud-ouest de l'Allemagne, est sceptique. Il soutient l'utilisation de nouveaux supraconducteurs à haute température pour les nouvelles conceptions de réacteurs. Mais, selon lui, développer quelque chose sur ordinateur, en tenant compte des lois de la physique, ne suffit pas. Il est nécessaire de prendre en compte les défis qui se présentent lors de la mise en pratique d'une idée.

la science-fiction

Selon Hesh, le modèle étudiant du MIT ne montre que la possibilité d'un projet. Mais c'est en fait beaucoup de science-fiction. Le projet part du principe que de sérieux problèmes techniques de fusion thermonucléaire sont résolus. Mais la science moderne ne sait pas comment les résoudre.

L'un de ces problèmes est l'idée de bobines pliables. Les électro-aimants peuvent être démontés afin de pénétrer à l'intérieur de l'anneau qui contient le plasma dans le modèle de conception du MIT.

Ce serait très utile car on pourrait accéder aux objets du système interne et les remplacer. Mais en réalité, les supraconducteurs sont constitués de matériau céramique. Des centaines d'entre eux doivent être entrelacés de manière sophistiquée pour former le bon champ magnétique. Et ici, il y a des difficultés plus fondamentales: les connexions entre eux ne sont pas aussi simples que les connexions de câbles en cuivre. Personne n'a même pensé à des concepts qui aideraient à résoudre de tels problèmes.

trop chaud

La température élevée est également un problème. Au cœur du plasma de fusion, la température atteindra environ 150 millions de degrés Celsius. Cette chaleur extrême reste en place - en plein centre du gaz ionisé. Mais même autour d'elle, il fait encore très chaud - de 500 à 700 degrés dans la zone du réacteur, qui est la couche interne d'un tuyau métallique dans laquelle va se « reproduire » le tritium nécessaire à la fusion nucléaire.

Il a un problème encore plus important - la soi-disant libération de puissance. C'est la partie du système qui reçoit le combustible irradié du processus de fusion, principalement l'hélium. Les premiers composants métalliques dans lesquels pénètrent les gaz chauds sont appelés "divertor". Il peut chauffer jusqu'à plus de 2000°C.

Problème d'aiguillage

Pour que l'installation résiste à de telles températures, les ingénieurs essaient d'utiliser le tungstène métallique utilisé dans les anciennes lampes à incandescence. Le point de fusion du tungstène est d'environ 3000 degrés. Mais il y a aussi d'autres limitations.

Dans ITER, cela peut être fait, car le chauffage ne se produit pas constamment. On suppose que le réacteur ne fonctionnera que 1 à 3 % du temps. Mais ce n'est pas une option pour une centrale qui doit fonctionner 24h/24 et 7j/7. Et, si quelqu'un prétend pouvoir construire un réacteur plus petit avec la même puissance qu'ITER, il est sûr de dire qu'il n'a pas de solution au problème du divertor.

Centrale électrique dans quelques décennies

Néanmoins, les scientifiques sont optimistes quant au développement des réacteurs thermonucléaires, même s'il ne sera pas aussi rapide que certains enthousiastes le prédisent.

ITER devrait montrer que la fusion contrôlée peut en fait produire plus d'énergie qu'il n'en faudrait pour chauffer le plasma. La prochaine étape consiste à construire une toute nouvelle centrale électrique de démonstration hybride qui génère réellement de l'électricité.

Les ingénieurs travaillent déjà sur sa conception. Ils devront apprendre d'ITER, dont le lancement est prévu en 2023. Compte tenu du temps nécessaire à la conception, à la planification et à la construction, il semble peu probable que la première centrale à fusion soit lancée bien avant le milieu du XXIe siècle.

Fusion froide Rossi

En 2014, un test indépendant du réacteur E-Cat a conclu que l'appareil avait une puissance de sortie moyenne de 2 800 watts sur une période de 32 jours avec une consommation de 900 watts. C'est plus que n'importe quelle réaction chimique est capable d'isoler. Le résultat parle soit d'une percée dans la fusion thermonucléaire, soit d'une fraude pure et simple. Le rapport a déçu les sceptiques, qui doutent que le test soit vraiment indépendant et suggèrent une possible falsification des résultats du test. D'autres ont été occupés à découvrir les "ingrédients secrets" qui permettent à la fusion de Rossi de reproduire la technologie.

Rossi est un arnaqueur ?

Andréa est imposante. Il publie des proclamations au monde dans un anglais unique dans la section des commentaires de son site Web, prétentieusement appelé le Journal of Nuclear Physics. Mais ses précédentes tentatives infructueuses ont inclus un projet italien de valorisation des déchets et un générateur thermoélectrique. Petroldragon, un projet de valorisation énergétique des déchets, a échoué en partie parce que le déversement illégal de déchets est contrôlé par le crime organisé italien, qui a porté plainte contre lui pour violation des réglementations sur la gestion des déchets. Il a également créé un appareil thermoélectrique pour le Corps of Engineers forces terrestresÉtats-Unis, mais lors des tests, le gadget n'a produit qu'une fraction de la puissance déclarée.

Beaucoup ne font pas confiance à Rossi, et le rédacteur en chef du New Energy Times l'a carrément qualifié de criminel avec une série de projets énergétiques ratés derrière lui.

Vérification indépendante

Rossi a signé un contrat avec la société américaine Industrial Heat pour mener un test secret d'un an sur une centrale de fusion froide de 1 MW. L'appareil était un conteneur d'expédition rempli de dizaines d'E-Cats. L'expérience devait être contrôlée par un tiers qui pouvait confirmer que la génération de chaleur avait bien lieu. Rossi affirme avoir passé une grande partie de l'année écoulée à vivre pratiquement dans un conteneur et à superviser les opérations pendant plus de 16 heures par jour pour prouver la viabilité commerciale de l'E-Cat.

Le test s'est terminé en mars. Les partisans de Rossi attendaient avec impatience le rapport des observateurs, espérant l'acquittement de leur héros. Mais à la fin, ils ont été poursuivis.

Procès

Dans un dossier déposé devant un tribunal de Floride, Rossi affirme que le test a réussi et un arbitre indépendant a confirmé que le réacteur E-Cat produit six fois plus d'énergie qu'il n'en consomme. Il a également affirmé qu'Industrial Heat avait accepté de lui verser 100 millions de dollars - 11,5 millions de dollars d'avance après l'essai de 24 heures (apparemment pour les droits de licence afin que l'entreprise puisse vendre la technologie aux États-Unis) et 89 millions de dollars supplémentaires après la réussite de l'essai prolongé. .dans les 350 jours. Rossi a accusé IH d'avoir dirigé un " stratagème frauduleux " pour voler sa propriété intellectuelle. Il a également accusé l'entreprise de détournement de réacteurs E-Cat, de copie illégale de technologies et de produits innovants, Fonctionnalité et les conceptions et tentatives abusives d'obtenir un brevet sur sa propriété intellectuelle.

Mine d'or

Ailleurs, Rossi affirme que lors d'une de ses manifestations, IH a reçu 50 à 60 millions de dollars d'investisseurs et 200 millions de dollars supplémentaires de la Chine après une rediffusion impliquant des responsables chinois. haut niveau. Si cela est vrai, alors beaucoup plus de cent millions de dollars sont en jeu. Industrial Heat a rejeté ces allégations comme étant sans fondement et va se défendre activement. Plus important encore, elle affirme qu'elle "a travaillé pendant plus de trois ans pour confirmer les résultats que Rossi aurait obtenus avec sa technologie E-Cat, le tout sans succès".

IH ne croit pas au E-Cat, et le New Energy Times ne voit aucune raison d'en douter. En juin 2011, un représentant de la publication s'est rendu en Italie, a interviewé Rossi et a filmé une démonstration de son E-Cat. Un jour plus tard, il a fait part de ses graves préoccupations concernant la méthode de mesure de la puissance thermique. Au bout de 6 jours, le journaliste a posté sa vidéo sur YouTube. Des experts du monde entier lui ont envoyé des analyses, qui ont été publiées en juillet. Il est devenu clair qu'il s'agissait d'une arnaque.

Confirmation expérimentale

Néanmoins, un certain nombre de chercheurs - Alexander Parkhomov de l'Université de l'Amitié des Peuples de Russie et le Martin Fleishman Memorial Project (MFPM) - ont réussi à reproduire la fusion froide de la Russie. Le rapport du MFPM était intitulé "La fin de l'ère du carbone est proche". La raison d'une telle admiration était la découverte, qui ne peut s'expliquer autrement que par une réaction thermonucléaire. Selon les chercheurs, Rossi a exactement ce dont il parle.

Une recette ouverte viable pour la fusion froide pourrait déclencher une ruée vers l'or énergétique. Des méthodes alternatives peuvent être trouvées pour contourner les brevets de Rossi et le tenir à l'écart du secteur énergétique de plusieurs milliards de dollars.

Alors peut-être que Rossi préférerait éviter cette confirmation.

Selon les concepts astrophysiques modernes, la principale source d'énergie du Soleil et des autres étoiles est la fusion thermonucléaire qui se produit dans leurs profondeurs. En conditions terrestres, elle est réalisée lors de l'explosion d'une bombe à hydrogène. La fusion thermonucléaire s'accompagne d'un dégagement d'énergie colossale par unité de masse de substances en réaction (environ 10 millions de fois plus que dans les réactions chimiques). Par conséquent, il est très intéressant de maîtriser ce processus et, sur sa base, de créer une source d'énergie bon marché et respectueuse de l'environnement. Cependant, malgré le fait que de grandes équipes scientifiques et techniques dans de nombreux pays développés sont engagées dans la recherche sur la fusion thermonucléaire contrôlée (CTF), il reste encore de nombreux problèmes complexes à résoudre avant que la production industrielle d'énergie thermonucléaire ne devienne une réalité.

Les centrales nucléaires modernes utilisant le procédé de fission ne satisfont que partiellement les besoins mondiaux en électricité. Ils sont alimentés par des ressources naturelles éléments radioactifs l'uranium et le thorium, dont la prévalence et les réserves dans la nature sont très limitées ; par conséquent, pour de nombreux pays, il y a un problème de leur importation. Le composant principal du combustible thermonucléaire est le deutérium, un isotope de l'hydrogène, que l'on trouve dans l'eau de mer. Ses réserves sont accessibles au public et très importantes (l'océan mondial couvre environ 71 % de la surface de la Terre et le deutérium représente environ 0,016 % nombre total atomes d'hydrogène dans l'eau). Outre la disponibilité du combustible, les sources d'énergie thermonucléaire présentent les avantages importants suivants par rapport aux centrales nucléaires : 1) le réacteur UTS contient beaucoup moins matériaux radioactifs qu'un réacteur à fission nucléaire, et donc les conséquences d'un rejet accidentel de produits radioactifs sont moins dangereuses ; 2) les réactions thermonucléaires produisent moins de déchets radioactifs à vie longue ; 3) TCB permet la production directe d'électricité.

FONDEMENTS PHYSIQUES DE LA FUSION NUCLÉAIRE

La réussite de la mise en œuvre de la réaction de fusion dépend des propriétés des noyaux atomiques utilisés et de la possibilité d'obtenir un plasma dense à haute température, nécessaire pour initier la réaction.

Forces et réactions nucléaires.

La libération d'énergie lors de la fusion nucléaire est due à des forces d'attraction extrêmement intenses opérant à l'intérieur du noyau; ces forces maintiennent ensemble les protons et les neutrons qui composent le noyau. Ils sont très intenses à des distances d'environ 10 à 13 cm et s'affaiblissent extrêmement rapidement avec l'augmentation de la distance. En plus de ces forces, les protons chargés positivement créent des forces de répulsion électrostatiques. Le rayon d'action des forces électrostatiques est beaucoup plus grand que celui des forces nucléaires, elles commencent donc à dominer lorsque les noyaux sont plus éloignés.

Comme l'a montré G. Gamov, la probabilité d'une réaction entre deux noyaux légers qui s'approchent est proportionnelle à , où e – base logarithmes naturels, Z 1 Et Z 2 sont les nombres de protons dans les noyaux en interaction, O est l'énergie de leur approche relative, et K est un multiplicateur constant. L'énergie nécessaire pour effectuer une réaction dépend du nombre de protons dans chaque noyau. S'il est supérieur à trois, alors cette énergie est trop élevée et la réaction est pratiquement impossible. Ainsi, avec l'augmentation Z 1 et Z 2 la probabilité d'une réaction diminue.

La probabilité que deux noyaux interagissent est caractérisée par une « section efficace de réaction » mesurée en barns (1 b = 10–24 cm 2 ). La section efficace de réaction est la zone de la section efficace du noyau, dans laquelle un autre noyau doit «entrer» pour que leur interaction se produise. La section efficace de réaction du deutérium avec le tritium atteint sa valeur maximale (~5 b) lorsque les particules en interaction ont une énergie d'approche relative d'environ 200 keV. A une énergie de 20 keV, la section efficace devient inférieure à 0,1 b.

Sur un million de particules accélérées atteignant la cible, pas plus d'une entre dans une interaction nucléaire. Les autres dissipent leur énergie sur les électrons des atomes cibles et ralentissent à des vitesses auxquelles la réaction devient impossible. Par conséquent, la méthode de bombardement d'une cible solide avec des noyaux accélérés (comme c'était le cas dans l'expérience Cockcroft-Walton) est inadaptée au CTS, car l'énergie obtenue dans ce cas est bien inférieure à l'énergie dépensée.

Combustibles thermonucléaires.

Réactions impliquant p, qui jouent le rôle principal dans les processus de fusion nucléaire du Soleil et d'autres étoiles homogènes, n'ont aucun intérêt pratique dans des conditions terrestres, car ils ont une section efficace trop petite. Pour la mise en œuvre de la fusion thermonucléaire sur terre, un type de combustible plus approprié, comme mentionné ci-dessus, est le deutérium.

Mais la réaction la plus probable est réalisée dans un mélange à composants égaux de deutérium et de tritium (mélange DT). Malheureusement, le tritium est radioactif et, en raison de sa courte demi-vie (T 1/2 ~ 12,3 ans), on ne le trouve pratiquement jamais dans la nature. Il est obtenu artificiellement dans les réacteurs à fission, ainsi que comme sous-produit dans les réactions avec le deutérium. Cependant, l'absence de tritium dans la nature n'est pas un obstacle à l'utilisation des réactions de fusion DT - puisque le tritium peut être produit en irradiant l'isotope 6 Li avec des neutrons produits lors de la fusion : n+ 6 Li ® 4 He + t.

Si la chambre thermonucléaire est entourée d'une couche de 6 Li (le lithium naturel en contient 7 %), alors il est possible de réaliser une reproduction complète du tritium consommable. Et bien qu'en pratique certains des neutrons soient inévitablement perdus, leur perte peut être facilement reconstituée en introduisant un élément tel que le béryllium dans la coquille, dont le noyau, lorsqu'un neutron rapide le frappe, en émet deux.

Le principe de fonctionnement d'un réacteur thermonucléaire.

La réaction de fusion des noyaux légers, dont le but est d'obtenir de l'énergie utile, est appelée fusion thermonucléaire contrôlée. Elle est réalisée à des températures de l'ordre de centaines de millions de kelvins. Ce procédé n'a jusqu'à présent été mis en œuvre qu'en laboratoire.

Conditions de temps et de température.

L'obtention d'énergie thermonucléaire utile n'est possible que si deux conditions sont réunies. Premièrement, le mélange destiné à la synthèse doit être chauffé à une température à laquelle l'énergie cinétique des noyaux assure une forte probabilité de leur fusion lors de la collision. Deuxièmement, le mélange réactionnel doit être très bien isolé thermiquement (c'est-à-dire que la température élevée doit être maintenue suffisamment longtemps pour que le nombre requis de réactions se produise et que l'énergie libérée en raison de cela dépasse l'énergie dépensée pour chauffer le combustible).

Sous forme quantitative, cette condition s'exprime comme suit. Pour chauffer un mélange thermonucléaire, un centimètre cube de son volume doit être alimenté en énergie P 1 = noeud, Où k- coefficient numérique, n- la densité du mélange (le nombre de noyaux dans 1 cm 3), J- température requise. Pour entretenir la réaction, l'énergie cédée au mélange thermonucléaire doit être conservée pendant un temps t. Pour qu'un réacteur soit énergétiquement rentable, il est nécessaire que pendant ce temps plus d'énergie thermonucléaire y soit libérée qu'il n'en a été dépensé pour le chauffage. L'énergie libérée (également par 1 cm 3) s'exprime comme suit :

Où F(J) est un coefficient dépendant de la température du mélange et de sa composition, R est l'énergie libérée dans un acte élémentaire de synthèse. Ensuite la condition de rentabilité énergétique P 2 > P 1 prendra la forme

La dernière inégalité, dite critère de Lawson, est une expression quantitative des exigences de perfection de l'isolation thermique. Le côté droit - "nombre de Lawson" - ne dépend que de la température et de la composition du mélange, et plus il est grand, plus les exigences en matière d'isolation thermique sont strictes, c'est-à-dire plus il est difficile de créer un réacteur. Dans la région des températures acceptables, le nombre de Lawson pour le deutérium pur est de 10 16 s/cm 3 , et pour un mélange DT à composants égaux, il est de 2 × 10 14 s/cm 3 . Ainsi, le mélange DT est le combustible de fusion préféré.

Conformément au critère de Lawson, qui détermine la valeur énergétiquement favorable du produit de la densité et du temps de confinement, dans un réacteur thermonucléaire, la plus grande possible doit être utilisée. n ou t. Par conséquent, les études sur le CTS ont divergé dans deux directions différentes : dans la première, les chercheurs ont essayé de conserver un plasma relativement raréfié à l'aide d'un champ magnétique pendant une durée suffisamment longue ; dans le second, à l'aide de lasers pendant une courte durée pour créer un plasma à très haute densité. Beaucoup plus de travail a été consacré à la première approche qu'à la seconde.

Confinement magnétique du plasma.

Au cours de la réaction de fusion, la densité du réactif chaud doit rester à un niveau qui fournirait un rendement suffisamment élevé d'énergie utile par unité de volume à une pression que la chambre à plasma peut supporter. Par exemple, pour un mélange deutérium - tritium à une température de 10 8 K, le rendement est déterminé par l'expression

Si accepter Pégale à 100 W/cm 3 (ce qui correspond approximativement à l'énergie dégagée par les éléments combustibles dans les réacteurs à fission nucléaire), puis la densité n devrait être d'env. 10 15 noyaux / cm 3, et la pression correspondante NT- environ 3 MPa. Le temps de rétention dans ce cas, selon le critère de Lawson, doit être d'au moins 0,1 s. Pour le plasma deutérium-deutérium à une température de 10 9 K

Dans ce cas, lorsque P\u003d 100W/cm3, n» 3×10 15 cœurs/cm 3 et une pression d'environ 100 MPa, le temps de maintien requis sera supérieur à 1 s. Notez que ces densités ne représentent que 0,0001 de la densité air atmosphérique, de sorte que la chambre du réacteur doit être mise sous vide poussé.

Les estimations ci-dessus pour le temps de rétention, la température et la densité sont des paramètres minimaux typiques requis pour le fonctionnement d'un réacteur à fusion et sont plus facilement atteints dans le cas d'un mélange deutérium-tritium. Quant aux réactions thermonucléaires qui se produisent lors de l'explosion d'une bombe à hydrogène et à l'intérieur des étoiles, il convient de garder à l'esprit que, en raison de conditions complètement différentes, dans le premier cas, elles se déroulent très rapidement et dans le second - extrêmement lentement par rapport aux processus dans un réacteur thermonucléaire.

Plasma.

Lorsqu'un gaz est fortement chauffé, ses atomes perdent partiellement ou totalement des électrons, entraînant la formation de particules chargées positivement appelées ions et électrons libres. À des températures supérieures à un million de degrés, un gaz composé d'éléments légers est complètement ionisé, c'est-à-dire chaque atome perd tous ses électrons. Un gaz à l'état ionisé est appelé un plasma (le terme a été introduit par I. Langmuir). Les propriétés d'un plasma diffèrent sensiblement de celles d'un gaz neutre. Puisqu'il y a des électrons libres dans le plasma, le plasma conduit très bien le courant électrique et sa conductivité est proportionnelle à J 3/2. Le plasma peut être chauffé en y faisant passer un courant électrique. La conductivité du plasma d'hydrogène à 10 8 K est la même que celle du cuivre à température ambiante. La conductivité thermique du plasma est également très élevée.

Pour maintenir le plasma, par exemple, à une température de 10 8 K, il doit être isolé thermiquement de manière fiable. En principe, le plasma peut être isolé des parois de la chambre en le plaçant dans un fort champ magnétique. Ceci est fourni par les forces qui surviennent lors de l'interaction des courants avec un champ magnétique dans le plasma.

Sous l'action d'un champ magnétique, les ions et les électrons se déplacent en spirales le long de ses lignes de force. Le passage d'une ligne de force à une autre est possible dans les collisions de particules et dans l'imposition d'une force transversale champ électrique. En l'absence de champs électriques, le plasma raréfié à haute température, dans lequel les collisions se produisent rarement, ne se diffusera que lentement à travers les lignes de champ magnétique. Si les lignes de force du champ magnétique sont fermées, leur donnant la forme d'une boucle, alors les particules de plasma se déplaceront le long de ces lignes, en restant dans la région de la boucle. En plus d'une telle configuration magnétique fermée, le confinement du plasma a également été proposé systèmes ouverts(avec des lignes de champ s'étendant vers l'extérieur à partir des extrémités de la chambre), dans lequel les particules restent à l'intérieur de la chambre en raison des "bouchons" magnétiques qui limitent le mouvement des particules. Des miroirs magnétiques sont créés aux extrémités de la chambre, où un faisceau rétréci de lignes de champ se forme à la suite d'une augmentation progressive de l'intensité du champ.

En pratique, le confinement magnétique d'un plasma de densité suffisamment élevée s'est avéré loin d'être simple : des instabilités magnétohydrodynamiques et cinétiques y apparaissent souvent.

Les instabilités magnétohydrodynamiques sont associées à des courbures et des ruptures dans les lignes de champ magnétique. Dans ce cas, le plasma peut commencer à traverser le champ magnétique sous forme de paquets, quitter la zone de confinement en quelques millionièmes de seconde et restituer de la chaleur aux parois de la chambre. De telles instabilités peuvent être supprimées en donnant au champ magnétique une certaine configuration.

Les instabilités cinétiques sont très diverses et ont été étudiées moins en détail. Parmi eux figurent ceux qui perturbent les processus ordonnés, tels que la circulation d'un courant électrique constant ou d'un flux de particules à travers un plasma. D'autres instabilités cinétiques provoquent une vitesse de diffusion transversale du plasma dans un champ magnétique plus élevée que celle prédite par la théorie des collisions pour un plasma calme.

Systèmes à configuration magnétique fermée.

Si une force importante est appliquée à un gaz conducteur ionisé champ électrique, alors un courant de décharge y apparaîtra, simultanément avec lequel un champ magnétique l'entourant apparaîtra. L'interaction du champ magnétique avec le courant conduira à l'apparition de forces de compression agissant sur les particules chargées du gaz. Si le courant circule le long de l'axe du filament de plasma conducteur, les forces radiales émergentes, comme des élastiques, compriment le filament, éloignant la limite du plasma des parois de la chambre qui le contient. Ce phénomène, prédit théoriquement par W. Bennett en 1934 et démontré expérimentalement pour la première fois par A. Ware en 1951, est appelé effet pincement. La méthode du pincement est appliquée au confinement du plasma ; sa caractéristique notable est que le gaz est chauffé à des températures élevées par le courant électrique lui-même (chauffage ohmique). La simplicité fondamentale de la méthode a conduit à son utilisation dans les toutes premières tentatives de confinement d'un plasma chaud, et l'étude d'un simple effet de pincement, bien qu'il ait été supplanté par la suite par des méthodes plus avancées, a permis de mieux comprendre la problèmes auxquels les expérimentateurs sont confrontés aujourd'hui.

En plus de la diffusion du plasma dans la direction radiale, il existe également une dérive longitudinale et sa sortie par les extrémités de la colonne de plasma. Les pertes par les extrémités peuvent être éliminées si la chambre à plasma a la forme d'un beignet (tore). Dans ce cas, un pincement toroïdal est obtenu.

Pour le simple pincement décrit ci-dessus, les instabilités magnétohydrodynamiques qui lui sont inhérentes posent un sérieux problème. Si une petite courbure se produit près de la colonne de plasma, la densité des lignes de champ magnétique sur le côté intérieur de la courbure augmente (Fig. 1). Les lignes de force magnétiques, qui se comportent comme des brins résistant à la compression, vont rapidement commencer à "gonfler", de sorte que la courbure va augmenter jusqu'à ce que toute la structure du filament de plasma soit détruite. En conséquence, le plasma entrera en contact avec les parois de la chambre et se refroidira. Pour exclure ce phénomène désastreux, avant le passage du courant axial principal, un champ magnétique longitudinal est créé dans la chambre, qui, associé au champ circulaire appliqué ultérieurement, "redresse" la flexion naissante de la colonne de plasma (Fig. 2) . Le principe de stabilisation d'une colonne de plasma par un champ axial est à la base de deux projets prometteurs de réacteurs thermonucléaires - un tokamak et un pincement à champ magnétique inversé.

Configurations magnétiques ouvertes.

maintien inertiel.

Les calculs théoriques montrent que la fusion thermonucléaire est possible sans l'utilisation de pièges magnétiques. Pour ce faire, une cible spécialement préparée (une boule de deutérium d'un rayon d'environ 1 mm) est rapidement comprimée à des densités si élevées que la réaction thermonucléaire a le temps de se terminer avant que la cible de carburant ne s'évapore. La compression et le chauffage à des températures thermonucléaires peuvent être effectués par des impulsions laser super puissantes, irradiant uniformément et simultanément la boule de combustible de tous les côtés (Fig. 4). Avec l'évaporation instantanée de ses couches superficielles, les particules éjectées acquièrent des vitesses très élevées et la balle est sous l'action de forces de compression importantes. Elles sont similaires aux forces réactives propulsant une fusée, à la seule différence qu'ici ces forces sont dirigées vers l'intérieur, vers le centre de la cible. Cette méthode peut créer des pressions de l'ordre de 10 11 MPa et des densités 10 000 fois supérieures à la densité de l'eau. À cette densité, presque toute l'énergie thermonucléaire sera libérée sous la forme d'une petite explosion en ~ 10–12 s. Les microexplosions qui se produisent, chacune équivalant à 1 à 2 kg de TNT, n'endommageront pas le réacteur, et la mise en œuvre d'une séquence de telles microexplosions à intervalles courts permettrait de réaliser une production presque continue d'énergie utile. Pour le confinement inertiel, la disposition d'une cible combustible est très importante. Cible sous forme de sphères concentriques de poids lourds et matériaux légers permettra d'obtenir l'évaporation la plus efficace des particules et, par conséquent, la plus grande compression.

Les calculs montrent qu'à l'énergie rayonnement laser de l'ordre du mégajoule (10 6 J) et un rendement laser d'au moins 10 %, l'énergie thermonucléaire produite doit être supérieure à l'énergie dépensée pour pomper le laser. Des installations de laser thermonucléaire sont disponibles dans des laboratoires de recherche en Russie, aux États-Unis, Europe de l'Ouest et le Japon. La possibilité d'utiliser un faisceau d'ions lourds à la place d'un faisceau laser ou une combinaison d'un tel faisceau avec un faisceau lumineux est actuellement à l'étude. Grâce à la technologie moderne, cette méthode d'initiation d'une réaction présente un avantage par rapport au laser, car elle vous permet d'obtenir plus d'énergie utile. L'inconvénient est la difficulté à focaliser le faisceau sur la cible.

INSTALLATIONS AVEC RÉTENTION MAGNÉTIQUE

Des méthodes de confinement de plasma magnétique sont à l'étude en Russie, aux États-Unis, au Japon et dans plusieurs pays européens. L'attention principale est portée sur les dispositifs de type toroïdal, tels que le tokamak et le pincement à champ magnétique inversé, qui sont apparus à la suite du développement de pincements plus simples avec un champ magnétique longitudinal stabilisant.

Pour confiner le plasma avec un champ magnétique toroïdal B j il faut créer des conditions dans lesquelles le plasma ne se déplacerait pas vers les parois du tore. Ceci est réalisé en "tordant" les lignes de champ magnétique (ce que l'on appelle la "transformation rotationnelle"). Cette torsion se fait de deux manières. Dans la première méthode, un courant est passé à travers le plasma, conduisant à la configuration du pincement stable déjà considéré. Courant de champ magnétique B qJ- B q avec B j crée un champ total avec la torsion requise. Si B j B q , on obtient une configuration connue sous le nom de tokamak (abréviation de l'expression "CAMERA TOROÏDALE AVEC BOBINES MAGNÉTIQUES"). Le tokamak (Fig. 5) a été développé sous la direction de L.A. Artsimovich à l'Institut de l'énergie atomique du nom de V.I. I.V. Kurchatov à Moscou. À B j ~ B q la configuration pincée avec champ magnétique inversé est obtenue.

Dans la deuxième méthode, des enroulements hélicoïdaux spéciaux autour de la chambre à plasma toroïdale sont utilisés pour assurer l'équilibre du plasma confiné. Les courants dans ces enroulements créent un champ magnétique complexe, qui conduit à une torsion des lignes de force du champ total à l'intérieur du tore. Une telle installation, appelée stellarator, a été développée à l'Université de Princeton (USA) par L. Spitzer et ses collaborateurs.

Tokamak.

Un paramètre important dont dépend le confinement d'un plasma toroïdal est la "marge de stabilité" q, égal à rB j / R. B. q , où r Et R sont respectivement les petits et grands rayons du plasma toroïdal. A un petit q une instabilité hélicoïdale peut se développer, qui est analogue à l'instabilité de la flexion d'un pincement droit. Des scientifiques de Moscou ont montré expérimentalement que lorsque q> 1 (c'est-à-dire B j B q) la possibilité d'instabilité hélicoïdale est fortement réduite. Cela permet d'utiliser efficacement la chaleur dégagée par le courant pour chauffer le plasma. Grâce à de nombreuses années de recherche, les caractéristiques des tokamaks se sont considérablement améliorées, notamment en augmentant l'uniformité du champ et le nettoyage efficace de la chambre à vide.

Les résultats encourageants obtenus en Russie ont stimulé la création de tokamaks dans de nombreux laboratoires à travers le monde, et leur configuration a fait l'objet de recherches intensives.

Le chauffage ohmique du plasma dans le tokamak n'est pas suffisant pour réaliser la réaction de fusion thermonucléaire. Cela est dû au fait que lorsque le plasma est chauffé, sa résistance électrique diminue fortement et, par conséquent, le dégagement de chaleur lors du passage du courant diminue fortement. Il est impossible d'augmenter le courant dans le tokamak au-delà d'une certaine limite, car la colonne de plasma peut perdre sa stabilité et être transférée sur les parois de la chambre. Par conséquent, diverses méthodes supplémentaires sont utilisées pour chauffer le plasma. Les plus efficaces d'entre eux sont l'injection de faisceaux d'atomes neutres à haute énergie et l'irradiation micro-onde. Dans le premier cas, les ions accélérés à des énergies de 50 à 200 keV sont neutralisés (pour éviter leur « réflexion » par le champ magnétique lors de leur introduction dans la chambre) et injectés dans le plasma. Ici, ils sont à nouveau ionisés et, au cours des collisions, ils cèdent leur énergie au plasma. Dans le second cas, il est utilisé rayonnement micro-ondes, dont la fréquence est égale à la fréquence cyclotron ionique (la fréquence de rotation des ions dans un champ magnétique). A cette fréquence, le plasma dense se comporte comme un corps absolument noir, c'est-à-dire absorbe complètement l'énergie incidente. Sur le tokamak JET des pays de l'Union Européenne, un plasma avec une température ionique de 280 millions de Kelvin et un temps de confinement de 0,85 s a été obtenu par injection de particules neutres. Une puissance thermonucléaire atteignant 2 MW a été obtenue sur plasma deutérium-tritium. La durée de la réaction est limitée par l'apparition d'impuretés dues à la pulvérisation des parois de la chambre : les impuretés pénètrent dans le plasma et, étant ionisées, augmentent significativement les pertes d'énergie dues au rayonnement. Actuellement, les travaux sur le programme JET se concentrent sur la recherche sur la possibilité de contrôler les impuretés et leur élimination, la soi-disant. "déviateur magnétique".

De grands tokamaks ont également été créés aux États-Unis - TFTR, en Russie - T15 et au Japon - JT60. Les recherches menées dans ces installations et dans d'autres ont jeté les bases de la prochaine étape des travaux dans le domaine de la fusion thermonucléaire contrôlée : en 2010, il est prévu de lancer un grand réacteur pour essais techniques. On suppose qu'il s'agira d'un travail conjoint des États-Unis, de la Russie, des pays de l'Union européenne et du Japon. voir également TOKAMAK.

Pincement de champ inversé (FOP).

La configuration POP diffère du tokamak en ce qu'elle a B q~ B j , mais la direction du champ toroïdal à l'extérieur du plasma est opposée à sa direction à l'intérieur de la colonne de plasma. J.Taylor a montré qu'un tel système est dans un état d'énergie minimale et, malgré q

L'avantage de la configuration POP est que le rapport des densités d'énergie volumétrique du plasma et du champ magnétique (valeur b) y est supérieur à celui du tokamak. Il est fondamentalement important que b soit aussi grand que possible, car cela réduira le champ toroïdal, et par conséquent, réduira le coût des bobines qui le créent et l'ensemble structure portante. Côté faible Le problème réside dans le fait que l'isolation thermique de ces systèmes est moins bonne que celle des tokamaks, et le problème du maintien du champ inversé n'est pas résolu.

Stellarateur.

Dans un stellarator, un champ magnétique toroïdal fermé est superposé à un champ créé par un enroulement hélicoïdal spécial enroulé autour du corps de la caméra. Le champ magnétique total empêche le plasma de s'éloigner du centre et supprime certains types d'instabilités magnétohydrodynamiques. Le plasma lui-même peut être créé et chauffé par n'importe laquelle des méthodes utilisées dans un tokamak.

Le principal avantage du stellarator est que la méthode de confinement qui y est utilisée n'est pas liée à la présence de courant dans le plasma (comme dans les tokamaks ou dans les dispositifs basés sur l'effet de pincement), et donc le stellarator peut fonctionner en mode stationnaire . De plus, l'enroulement hélicoïdal peut avoir un effet "déviateur", c'est-à-dire purifier le plasma des impuretés et éliminer les produits de réaction.

Le confinement du plasma dans les stellarators fait l'objet d'études approfondies dans des installations de l'Union européenne, de la Russie, du Japon et des États-Unis. Sur le stellarator "Wendelstein VII" en Allemagne, il a été possible de maintenir un plasma non porteur de courant à une température supérieure à 5x10 6 kelvin, en le chauffant par injection d'un faisceau atomique à haute énergie.

Des études théoriques et expérimentales récentes ont montré que dans la plupart des installations décrites, et notamment dans les systèmes toroïdaux fermés, le temps de confinement du plasma peut être augmenté en augmentant ses dimensions radiales et en confinant le champ magnétique. Par exemple, pour un tokamak, on calcule que le critère de Lawson sera rempli (et même avec une certaine marge) à une intensité de champ magnétique de ~ 50 ± 100 kG et un petit rayon de la chambre toroïdale d'env. 2 m Ce sont les paramètres d'installation pour 1000 MW d'électricité.

Lors de la création d'installations aussi importantes avec confinement de plasma magnétique, des problèmes technologiques complètement nouveaux se posent. Pour créer un champ magnétique de l'ordre de 50 kG dans le volume de plusieurs mètres cubes en utilisant des bobines de cuivre refroidies à l'eau, une source d'énergie de plusieurs centaines de mégawatts serait nécessaire. Il est donc évident que les enroulements des bobines doivent être réalisés en matériaux supraconducteurs, tels que des alliages de niobium avec du titane ou avec de l'étain. La résistance de ces matériaux courant électrique dans l'état supraconducteur est nul, et, par conséquent, pour maintenir le champ magnétique sera dépensé montant minimalélectricité.

technologie des réacteurs.

Perspectives de la recherche thermonucléaire.

Des expériences menées sur des installations de type tokamak ont montré que ce système est très prometteur comme base possible pour le réacteur UTS. Les meilleurs résultats à ce jour ont été obtenus sur les tokamaks, et l'on espère qu'avec une augmentation correspondante de la taille des installations, ils pourront mettre en œuvre une fusion industrielle contrôlée. Cependant, le tokamak n'est pas assez économique. Pour pallier cette lacune, il faut qu'il ne fonctionne pas en mode pulsé, comme c'est le cas actuellement, mais en mode continu. Cependant, les aspects physiques de ce problème sont encore mal compris. Il faut aussi développer moyens techniques, ce qui améliorerait les paramètres du plasma et éliminerait ses instabilités. Compte tenu de tout cela, il ne faut pas oublier d'autres options possibles, bien que moins développées, pour un réacteur thermonucléaire, par exemple un stellarator ou un pincement à champ inversé. L'état de la recherche dans ce domaine a atteint le point où il existe des conceptions de réacteurs conceptuels pour la plupart des systèmes de confinement magnétique à plasma à haute température et pour certains systèmes de confinement inertiel. Un exemple de développement industriel d'un tokamak est le projet Aries (USA).

L'optimisme est une bonne chose, mais il ne se suffit pas à lui-même. Par exemple, selon la théorie des probabilités, une brique doit parfois tomber sur chaque mortel. Absolument rien ne peut être fait à ce sujet : la loi de l'univers. Il s'avère que la seule chose qui peut généralement pousser un mortel dans la rue dans une période aussi mouvementée est la foi dans le meilleur. Mais pour un travailleur du logement et des services communaux, la motivation est plus compliquée : c'est la même brique qui le pousse dans la rue, qui s'efforce de tomber sur quelqu'un. Après tout, le travailleur connaît cette brique et peut tout réparer. Il est également probable qu'il ne corrige pas, mais l'essentiel est qu'avec toute décision, l'optimisme nu ne le consolera plus.

Dans une telle situation au XXe siècle, toute une industrie s'est avérée être l'industrie énergétique mondiale. Les personnes habilitées à décider ont décidé que le charbon, le pétrole et le gaz naturel seraient comme le soleil en chanson, toujours, que la brique resterait bien en place et n'irait nulle part. Disons qu'il s'échappe - il y a donc fusion thermonucléaire, mais pas encore complètement maîtrisée. La logique est la suivante : ils l'ont ouvert rapidement, ce qui signifie qu'ils vont le conquérir tout aussi rapidement. Mais les années ont passé, les patronymes des tyrans ont été oubliés, et la fusion thermonucléaire ne s'est pas soumise. Tout n'était que flirt, mais il exigeait plus de courtoisie que les mortels. Au fait, ils n'ont rien décidé, ils étaient tranquillement optimistes.

La raison de s'agiter sur votre chaise est apparue lorsque la finitude des combustibles fossiles a commencé à être discutée publiquement. De plus, de quel type de membre il s'agit, ce n'est pas clair. Premièrement, il est assez difficile de calculer le volume exact de pétrole ou, par exemple, de gaz qui n'a pas encore été trouvé. Deuxièmement, la prévision est compliquée par les fluctuations de prix sur le marché, dont dépend le taux de production. Et troisièmement, la consommation de divers combustibles n'est pas constante dans le temps et dans l'espace : par exemple, en 2015, la demande mondiale de charbon (un tiers de tous les vecteurs énergétiques existants) a chuté pour la première fois depuis 2009, mais d'ici 2040, elle devrait augmenter fortement, notamment en Chine et au Moyen-Orient.

Le volume de plasma dans le JET a déjà atteint environ 100 mètres cubes. Pendant 30 ans, il établit une série de records : il résout le premier problème de la fusion thermonucléaire en chauffant le plasma à 150 millions de degrés Celsius ; a généré une puissance de 1 mégawatt, puis - 16 mégawatts avec un indice d'efficacité énergétique de Q ~ 0,7 ... Le rapport entre l'énergie dépensée et l'énergie reçue est le troisième problème de la fusion thermonucléaire. Théoriquement, pour une combustion plasma auto-entretenue, Q doit être supérieur à l'unité. Mais la pratique a montré que cela ne suffisait pas : en fait, Q devrait être supérieur à 20. Parmi les tokamaks, Q JET reste encore invaincu.

Le tokamak ITER, actuellement construit en France par le monde entier, est devenu un nouvel espoir pour l'industrie. L'indice Q d'ITER devrait atteindre 10, la puissance - 500 mégawatts, qui pour un début va simplement se dissiper dans l'espace. Les travaux sur ce projet sont en cours depuis 1985 et auraient dû être achevés en 2016. Mais progressivement le coût de construction est passé de 5 à 19 milliards d'euros, et la date de mise en service a été repoussée de 9 à 11 ans. Dans le même temps, ITER se positionne comme une passerelle vers le réacteur DEMO qui, selon le plan, produira la première électricité "thermonucléaire" dans les années 2040.

La biographie des systèmes "impulsifs" était moins dramatique. Lorsque, au début des années 1970, les physiciens ont reconnu que l'option de fusion "constante" n'était pas idéale, ils ont proposé de supprimer le confinement du plasma de l'équation. Au lieu de cela, les isotopes ont dû être placés dans une sphère en plastique de taille millimétrique, qui a été placée dans une capsule d'or refroidie à zéro absolu, et la capsule dans la chambre. Ensuite, la capsule a été «déclenchée» de manière synchrone par des lasers. L'idée est que si vous chauffez et comprimez le carburant rapidement et suffisamment uniformément, la réaction se produira avant même que le plasma ne soit dispersé. Et en 1974, la société privée KMS Fusion a reçu une telle réaction.

Après plusieurs configurations expérimentales et des années, il s'est avéré que tout n'est pas aussi fluide avec la synthèse « pulsée ». L'uniformité de la compression s'est avérée être un problème: les isotopes congelés ne se sont pas transformés en une boule parfaite, mais en un «haltère», qui a considérablement réduit la pression, et donc l'efficacité énergétique. La situation a conduit au fait qu'en 2012, après quatre ans de travail, le plus grand réacteur inertiel américain NIF a presque fermé par désespoir. Mais déjà en 2013, il a fait ce que le JET n'a pas réussi à faire : il a été le premier en physique nucléaire à prélever 1,5 fois plus d'énergie qu'il n'en a consommé.

Désormais, en plus des grands problèmes, les problèmes de fusion thermonucléaire sont résolus par des installations «de poche», purement expérimentales et «de démarrage» de différentes conceptions. Parfois, ils parviennent à faire des miracles. Par exemple, des physiciens de l'Université de Rochester ont récemment dépassé le record d'efficacité énergétique établi en 2013 par un facteur de quatre puis cinq fois. Certes, les nouvelles restrictions sur la température et la pression d'allumage n'ont pas disparu et les expériences ont été réalisées dans un réacteur environ trois fois plus petit que le NIF. Et la taille linéaire, comme nous le savons, compte.

Pourquoi s'embêter autant, vous demandez-vous ? Pour bien comprendre pourquoi la fusion thermonucléaire est si attrayante, comparons-la au combustible "ordinaire". Disons qu'à chaque instant il y a un gramme d'isotopes dans le "beignet" du tokamak. La collision d'un deutérium et d'un tritium libère 17,6 mégaélectronvolts d'énergie, soit 0,000 000 000 002 joules. Maintenant, les statistiques: brûler un gramme de bois de chauffage nous donnera 7 000 joules, le charbon - 34 000 joules, le gaz ou le mazout - 44 000 joules. Brûler un gramme d'isotopes devrait entraîner le dégagement de 170 milliards de joules de chaleur. Tant que le monde entier en consomme en 14 minutes environ.

Neutrons réfugiés et centrales hydroélectriques meurtrières

De plus, la fusion thermonucléaire est presque inoffensive. "Presque" - car un neutron qui s'envole et ne revient pas, ayant pris une partie de l'énergie cinétique, quittera le piège magnétique, mais ne pourra pas aller loin. Bientôt, le fidget sera capturé par le noyau atomique de l'une des feuilles de couverture - la "couverture" métallique du réacteur. Le noyau qui a "capté" le neutron se transformera alors soit en un isotope stable, c'est-à-dire sûr et relativement durable, soit en un isotope radioactif - comme vous avez de la chance. L'irradiation du réacteur avec des neutrons est appelée rayonnement induit. À cause de cela, la couverture devra être changée quelque part tous les 10 à 100 ans.

Il est temps de préciser que le schéma de "liaison" isotopique décrit ci-dessus a été simplifié. Contrairement au deutérium, qui peut être mangé avec une cuillère, est facile à créer et se trouve dans l'eau de mer ordinaire, le tritium est un radio-isotope et est synthétisé artificiellement pour de l'argent obscène. En même temps, il est inutile de le stocker : le noyau « s'effondre » rapidement. À ITER, le tritium sera produit in situ en faisant entrer en collision des neutrons avec du lithium-6 et en ajoutant séparément du deutérium prêt à l'emploi. En conséquence, il y aura encore plus de neutrons qui essaieront de "s'enfuir" (avec le tritium) et de rester coincés dans la couverture qu'il n'y paraît.

Malgré cela, la zone d'impact radioactif d'un réacteur thermonucléaire sera négligeable. L'ironie est que la sécurité est assurée par l'imperfection même de la technologie. Comme le plasma doit être conservé et le "carburant" ajouté encore et encore, sans surveillance extérieure, le système fonctionnera pendant plusieurs minutes au maximum (le temps de maintien prévu d'ITER est de 400 secondes) puis s'éteindra. Mais même avec une destruction ponctuelle, selon avis Pour le physicien Christopher Llewellyn-Smith, il n'y aura pas besoin d'évincer les villes : du fait de la faible densité du plasma de tritium, il ne contiendra que 0,7 gramme.

Bien sûr, la lumière n'a pas convergé vers le deutérium et le tritium. Pour la fusion thermonucléaire, les scientifiques envisagent d'autres couples : deutérium et deutérium, hélium-3 et bore-11, deutérium et hélium-3, hydrogène et bore-11. Dans les trois derniers, il n'y aura pas du tout de neutrons "emballés", et deux sociétés américaines travaillent déjà avec des paires hydrogène-bore-11 et deutérium-hélium-3. C'est juste que pour l'instant, dans le cycle actuel d'ignorance technologique, il est un peu plus facile de combiner le deutérium et le tritium.

Oui, et l'arithmétique simple est du côté de la nouvelle industrie. Au cours des 55 dernières années, le monde a connu : cinq percées de centrales hydroélectriques, à la suite desquelles autant de personnes sont mortes que de personnes sont mortes sur les routes russes en huit ans ; 26 accidents dans des centrales nucléaires, à cause desquels des dizaines de milliers de fois moins de personnes sont mortes que lors de percées dans des centrales hydroélectriques ; et des centaines d'incidents sur les réseaux électriques thermiques avec Dieu sait quelles conséquences. Mais pendant le fonctionnement des réacteurs thermonucléaires, il semble que rien, hormis les cellules nerveuses et les budgets, n'ait encore souffert.

Fusion nucléaire froide

Aussi minuscule soit-elle, la chance de remporter le jackpot à la loterie "thermonucléaire" a excité tout le monde, pas seulement les physiciens. En mars 1989, deux chimistes assez connus, l'Américain Stanley Pons et le Britannique Martin Fleishman, réunissent des journalistes pour montrer au monde la fusion nucléaire "à froid". Il a travaillé comme ça. Une électrode de palladium a été placée dans une solution avec du deutérium et du lithium et passée à travers celle-ci. DC. Le deutérium et le lithium ont été absorbés par le palladium et, se heurtant, se sont parfois "accrochés" au tritium et à l'hélium-4, chauffant brusquement la solution. Et ceci à température ambiante et pression atmosphérique normale.

La perspective d'obtenir de l'énergie sans les tracas de la température, de la pression et des réglages complexes était trop tentante, et le lendemain, Fleischman et Pons se sont réveillés célèbres. Le gouvernement de l'Utah a alloué 5 millions de dollars pour leurs recherches sur la fusion froide, et 25 millions de dollars supplémentaires ont été demandés au Congrès américain par l'université où travaillait Pons. Deux points ont ajouté une mouche dans la pommade à l'histoire. Tout d'abord, les détails de l'expérience sont apparus dans Le Journal de chimie électroanalytique et d'électrochimie interfaciale seulement en avril, un mois après la conférence de presse. C'était contraire à l'étiquette scientifique.

Deuxièmement, les experts en physique nucléaire avaient de nombreuses questions pour Fleishman et Pons. Par exemple, pourquoi dans leur réacteur, la collision de deux deutérons produit du tritium et de l'hélium-4, alors qu'elle devrait produire du tritium et un proton, ou un neutron et de l'hélium-3 ? De plus, il était facile de vérifier cela : à condition que la fusion nucléaire ait lieu dans l'électrode de palladium, des neutrons d'énergie cinétique connue « s'envoleraient » des isotopes. Mais ni les détecteurs de neutrons, ni la reproduction de l'expérience par d'autres scientifiques n'ont conduit à de tels résultats. Et faute de données, déjà en mai, la sensation des chimistes a été reconnue comme un "canard".

Malgré cela, les travaux de Pons et Fleishman ont contribué à Physique nucléaire et la confusion chimique. Après tout, ce qui s'est passé: une certaine réaction des isotopes, du palladium et de l'électricité a conduit à la libération d'énergie positive, plus précisément à l'échauffement spontané de la solution. En 2008, des scientifiques japonais ont montré une installation similaire aux journalistes. Ils ont placé du palladium et de l'oxyde de zirconium dans un flacon et y ont pompé du deutérium sous pression. En raison de la pression, les noyaux se sont "frottés" les uns contre les autres et se sont transformés en hélium, libérant de l'énergie. Comme dans l'expérience Fleischmann-Pons, les auteurs ont jugé la réaction de fusion "sans neutron" uniquement par la température dans le ballon.

La physique n'avait aucune explication. Mais la chimie aurait pu : et si la substance était modifiée par des catalyseurs - des « accélérateurs » de réactions ? L'un de ces "accélérateurs" aurait été utilisé par l'ingénieur italien Andrea Rossi. En 2009, avec le physicien Sergio Focardi, il a demandé l'invention d'un appareil pour une "réaction nucléaire à basse énergie". Il s'agit d'un tube en céramique de 20 cm dans lequel est placée de la poudre de nickel, un catalyseur inconnu, et de l'hydrogène est pompé sous pression. Le tube est chauffé par un radiateur électrique ordinaire, convertissant partiellement le nickel en cuivre avec libération de neutrons et d'énergie positive.

Avant le brevet de Rossi et Focardi, la mécanique du "réacteur" n'était pas divulguée par principe. Ensuite - en référence à un secret commercial. En 2011, des journalistes et des scientifiques (pour une raison quelconque, les mêmes) ont commencé à vérifier l'installation. Les contrôles étaient les suivants. Le tube a été chauffé pendant plusieurs heures, les puissances d'entrée et de sortie ont été mesurées et la composition isotopique du nickel a été étudiée. Il était impossible d'ouvrir. Les propos des développeurs ont été confirmés : l'énergie sort 30 fois plus, la composition du nickel change. Mais comment? Pour une telle réaction, pas 200 degrés, mais tous les 20 milliards de degrés Celsius sont nécessaires, car le noyau de nickel est plus lourd que même le fer.

Pas un seul journal scientifique des "sorciers" italiens n'a jamais été publié. Beaucoup ont rapidement abandonné les "réactions à faible énergie", bien que la méthode ait des adeptes. Aujourd'hui, Rossi poursuit le titulaire du brevet, la société américaine Industrial Heat, pour vol de propriété intellectuelle. Elle le considère comme un escroc, et les vérifications auprès d'experts sont « fausses ».

Et pourtant la fusion nucléaire "froide" existe. Il est en réalité basé sur un "catalyseur" - les muons. Les muons (chargés négativement) "expulsent" les électrons d'une orbitale atomique, formant des mésoatomes. Si des mésoatomes entrent en collision avec, par exemple, du deutérium, des mésomolécules chargées positivement seront obtenues. Et puisque le muon est 207 fois plus lourd que l'électron, les noyaux des mésomolécules seront 207 fois plus proches les uns des autres - le même effet peut être obtenu si les isotopes sont chauffés à 30 millions de degrés Celsius. Par conséquent, les noyaux des mésoatomes "se lient", sans s'échauffer, et le muon "saute" vers d'autres atomes jusqu'à ce qu'il "se coince" dans le mésoatome d'hélium.

En 2016, le muon avait été formé pour effectuer environ 100 "sauts" de ce type. Ensuite - soit un mésoatome d'hélium, soit une désintégration (la durée de vie du muon n'est que de 2,2 microsecondes). Le jeu n'en vaut pas la chandelle : la quantité d'énergie reçue de 100 « sauts » ne dépasse pas 2 gigaélectronvolts, et il faut 5 à 10 gigaélectronvolts pour créer un muon. Pour que la fusion "froide", plus précisément la "catalyse muonique", soit rentable, chaque muon doit apprendre 10 000 "sauts" ou, enfin, cesser d'exiger trop des mortels. En fin de compte, avant l'âge de pierre - avec des feux de joie pionniers au lieu de centrales thermiques - il restait quelque 250 ans.

Cependant, tout le monde ne croit pas à la finitude des combustibles fossiles. Mendeleev, par exemple, a nié l'épuisabilité du pétrole. Elle, pensait le chimiste, est un produit de réactions abiotiques, et non de ptérodactyles décomposés, donc elle se régénère. Mendeleïev a imputé des rumeurs contraires aux frères Nobel, qui, en fin XIX siècle bascula sur le monopole pétrolier. A sa suite, le physicien soviétique Lev Artsimovich a exprimé sa conviction que l'énergie thermonucléaire n'apparaîtrait que lorsqu'elle serait "réellement" nécessaire à l'humanité. Il s'avère que Mendeleev et Artsimovich étaient au moins des personnes décisives, mais ils étaient toujours optimistes.

Et en fait, nous n'avons pas encore besoin d'énergie thermonucléaire.

Riz. 25. Position du processus rp par rapport à la droite β de stabilité.

Le processus qui est parfois associé au processus p est le processus rp, le processus de capture rapide de protons. Ce processus crée des noyaux riches en protons avec Z = 7-26. Il comprend une série de désintégrations (p, γ) et β + -, caractéristiques des noyaux enrichis en p. Le processus commence comme une "retombée" du cycle CNO. C'est une chaîne latérale du cycle CNO, créant des noyaux riches en p tels que 21 Na

et 19 Ne. Ces noyaux constituent la base d'une capture ultérieure

neutrons, conduisant à la voie de nucléosynthèse illustrée à la Fig. 25 . rp -process crée un petit nombre de cœurs CA<100. Процесс следует по пути, аналогичному r -процессу, но на протон-обогащённой стороне стабильности. В настоящее время источником протонов

pour ce processus sont des étoiles doubles. Notez que ce processus est parfois proche de la raie de stabilité β, se rapprochant de la raie des protons à mesure que le noyau devient plus lourd.

6. LE PROBLÈME DU NEUTRINO SOLAIRE

De nombreuses réactions nucléaires qui fournissent de l'énergie aux étoiles s'accompagnent de l'émission de neutrinos. En raison de la faible section efficace d'absorption des neutrinos par la matière (σ 10-44 cm2), ils ne sont pratiquement pas absorbés par le Soleil et les autres étoiles. (Ces pertes de neutrinos correspondent à une perte de 2% de l'énergie solaire). Par conséquent, le neutrino est une fenêtre sur l'étoile. Dans le même temps, une petite section efficace d'absorption rend difficile la détection des neutrinos, car presque tous les neutrinos traversent la planète Terre sans absorption.

Il y a donc le problème du neutrino solaire. Languette. 4. Prévision des flux de neutrinos solaires.

Source	Débit (partie/s/cm2)
	5.94x1010
	1.40x108
	7.88x103
	4.86x107
	5.82x106
	5.71x108
	5.03x108
	5.91x106

6.1 Sources, énergies et flux de neutrinos solaires attendus

DANS En raison de sa proximité avec notre planète, le Soleil est la principale source de neutrinos atteignant la Terre.

Le Soleil émet 1,8x1038 neutrinos/sec, qui atteignent la surface de la Terre en 8 minutes avec une densité de flux de 6,4x1010 neutrinos/s/cm2. Les prévisions du modèle solaire standard pour les flux de neutrinos à la surface de la Terre pour diverses réactions nucléaires sont présentées dans le tableau. 4, et pour la distribution des énergies - dans la Fig. 26 . Chaque réaction nucléaire a

répartition énergétique caractéristique.

Riz. 25. Prédiction des flux de neutrinos provenant de diverses réactions nucléaires sur le Soleil. Les régions d'énergie où les détecteurs sont sensibles aux neutrinos sont indiquées en haut.

13N → 13C+ β ++ ν e 15O → 15N+ β ++ ν e 17F → 17O+ β ++ ν e

Source marquée "rr", dans le tableau. 4 et Fig. 26 reflète la réaction

p+p→ d+e+ +v e (65)

et est la principale réaction produisant un neutrino pour chaque noyau de 4 He synthétisé. "rep" la source est la réaction

p+p+e- → d+v e , (66)

qui produit des neutrinos monoénergétiques, tandis que "hep" désigne la réaction : p+3 He→ 4 He+e+ +ν e (67)

Cette dernière réaction produit le neutrino le plus énergétique avec une énergie maximale de 18,77 MeV (en raison de la valeur Q élevée de la réaction). L'intensité de cette source est 107 fois inférieure à la source pp. "7 Be" source signifie chaîne pp de réaction de désintégration par capture d'électrons

dans lequel le premier état excité 8 Be est peuplé (à 3,04 MeV). Les sources faibles "13 N", "15 O" et "17 F" désignent des désintégrations β+ se produisant dans le cycle CNO :

6.2 Détection des neutrinos

Comme déjà mentionné, la détection des neutrinos à faible interaction est difficile en raison de la faible valeur de la section efficace d'interaction. Pour surmonter cet obstacle, deux types de détecteurs ont été proposés : les détecteurs radiochimiques et les détecteurs Cherenkov. Les détecteurs radiochimiques enregistrent les produits des réactions induites par les neutrinos, tandis que les détecteurs Cherenkov observent la diffusion des neutrinos. Ainsi, dans une grotte du Dakota du Sud, à 1500 m sous la surface de la terre, un détecteur radiochimique massif a été placé contenant 100 000 gallons de liquide purifié, C2 Cl4. Le liquide purifié pesait 610 tonnes (le volume de 10 citernes ferroviaires). La réaction suivante se produit dans le détecteur :

ν e +37 Cl→ 37 Ar+e-

Le produit de réaction 37 Ar se décompose par capture électronique avec T = 35 jours. Après purification, le liquide est exposé aux neutrinos solaires pendant un certain temps, le 37 Ar formé est évacué du détecteur par un flux d'hélium gazeux et entre dans un compteur proportionnel qui détecte les 2,8 électrons Auger formés lors de la capture d'électrons . La réaction détectée a un seuil de 0,813 MeV, c'est-à-dire le détecteur est sensible aux neutrinos 8 V, hep, pep et 7 Be (décroissance de l'état fondamental). Ici, l'enregistrement de 8 V est le plus important. Habituellement, 3 atomes de 37 Ar se forment en une semaine et doivent être isolés des 1010 atomes du liquide. Le détecteur est placé profondément sous terre et protégé des radiations cosmiques.

D'autres détecteurs sont basés sur la réaction
ν e +71 Ga→ 71 Ge+e-

Ces détecteurs ont un seuil de 0,232 MeV et peuvent être utilisés pour la détection directe des neutrinos pp dominants du Soleil. Le gallium est présent sous forme de solution de GaCl3. 71 Ge est collecté en balayant le détecteur avec de l'azote et en convertissant Ge en GeH4 avant le comptage. Ces détecteurs utilisent 30 à 100 tonnes de gallium et consomment une part importante de la production annuelle de gallium.

Les détecteurs Cherenkov fonctionnent sur l'effet de la diffusion des neutrinos par des particules chargées. Après une collision avec un neutrino, l'électron éjecté émet un rayonnement Cherenkov, qui peut être détecté par des détecteurs à scintillation. Le premier de ces détecteurs a été placé dans la mine de Kamioka au Japon. Super Kamioka contenait 50 000 tonnes d'eau de haute pureté. La réaction détectée dans ce cas est la réaction de diffusion ν + e- → ν + e- , et le seuil de détection est de 8 MeV, ce qui permet de détecter des neutrinos de 8 V.

Riz. 27. Comparaison des prédictions du modèle solaire standard et des mesures expérimentales.

Le détecteur canadien SNO était monté dans une mine de nickel à une profondeur de 2 km et contenait 1 000 tonnes d'eau lourde (D2O). En plus de la diffusion des électrons des neutrinos, ce détecteur est capable d'utiliser des réactions nucléaires sur le deutérium :

ν e+d→ 2p+e- (72)ν +d→ n+p+ν (73)

Cette dernière réaction permet de détecter tous les types de neutrinos, ν e , ν μ et ν τ , tandis que la première réaction n'est sensible qu'aux neutrinos électroniques. L'ensemble des réactions se produisant dans le détecteur peut être utilisé pour observer les oscillations des neutrinos. Dans la dernière réaction, le neutron émis est détecté par une réaction (n,γ) dans laquelle les rayons γ sont enregistrés par un détecteur à scintillation (Le détecteur d'eau lourde est entouré de 7000 tonnes d'eau ordinaire pour protéger le détecteur des neutrons associés à la radioactivité des parois de la mine). Le détecteur canadien a nécessité le développement de nouvelles méthodes de purification des eaux profondes, car. la pureté de l'eau nécessitait une teneur en uranium ou en thorium inférieure à 10 atomes pour 1015 molécules d'eau.

6.3 Le problème des neutrinos solaires

Le problème des neutrinos solaires est né du fait que les détecteurs n'ont enregistré que 1/3 de ce qui était attendu par le modèle standard des neutrinos solaires, ce qui suggère que 98,5 % de l'énergie du Soleil provient de la chaîne pp et 1,5 du cycle CNO.

Riz. 28. Spectres d'énergie des rayons cosmiques galactiques, GCR.

Un tel écart indique soit que le modèle du Soleil est incorrect, soit qu'il existe des erreurs fondamentales dans la physique nucléaire utilisée.

Le problème des neutrinos solaires réside dans les idées erronées sur la structure fondamentale de la matière données par le modèle standard. Le modèle standard prédit que trois types de neutrinos n'ont pas de masse et qu'une fois créés, ils continuent d'exister sans changement le reste du temps. L'idée principale du modèle alternatif, le modèle d'oscillation des neutrinos, est que pendant que les neutrinos quittent le Soleil, ils se transforment de neutrinos électroniques en neutrinos muoniques et vice versa. Ces oscillations

sont possibles si les neutrinos ont une masse et que cette masse est différente pour les neutrinos électroniques et muoniques. Ces oscillations sont amplifiées par les interactions neutron-électron dans le Soleil. Ils croient que

masse du neutrino τ>masse du neutrino μ>masse du neutrino électronique. La limite supérieure de ces masses

Riz. 29. Abondance relative (par silicium) des éléments dans le système solaire et dans les rayons cosmiques.

Oscillations de neutrinos - la transformation d'un neutrino (électron, muon ou taon) en un neutrino d'un autre type (génération), ou en un antineutrino. La théorie prédit l'existence d'une loi de variation périodique de la probabilité de détecter une particule d'un certain type en fonction du temps écoulé depuis la création de la particule. La présence d'oscillations de neutrinos est importante pour résoudre le problème des neutrinos solaires. On suppose que ces transformations sont une conséquence du fait que le neutrino a une masse au repos ou (dans le cas des transformations neutrino↔antineutrino) de la non-conservation de la charge du lepton aux hautes énergies. Le modèle standard dans sa version originale ne décrit pas les masses des neutrinos et leurs oscillations, cependant, ils peuvent être inclus dans cette théorie avec une modification relativement mineure - l'inclusion du terme de masse et de la matrice de mélange PMNS des neutrinos dans le lagrangien général.

La preuve directe des oscillations de neutrinos est venue des observations de la lueur Cherenkov. Le détecteur SNO a trouvé un tiers du nombre attendu de neutrinos électroniques provenant du Soleil, en accord avec les données précédentes obtenues par des détecteurs radiochimiques. Détecteur japonais, sensible principalement aux neutrinos électroniques, mais

sensibilité à d'autres types de neutrinos, a trouvé la moitié du flux de neutrinos attendu de

est le processus par lequel deux noyaux atomiques se combinent pour former un noyau plus lourd. Ce processus s'accompagne généralement d'une libération d'énergie. La fusion nucléaire est la source d'énergie des étoiles et de la bombe à hydrogène.
Pour rapprocher suffisamment les noyaux atomiques pour qu'une réaction nucléaire se produise, même pour l'élément le plus léger, l'hydrogène, une quantité d'énergie très importante est nécessaire. Mais, dans le cas des noyaux légers, à la suite de l'union de deux noyaux pour former un noyau plus lourd, beaucoup plus d'énergie est libérée qu'il n'en faut pour surmonter la répulsion coulombienne entre eux. De ce fait, la fusion nucléaire est une source d'énergie très prometteuse et constitue l'un des principaux domaines de recherche. science moderne.
La quantité d'énergie libérée dans la plupart des réactions nucléaires est bien supérieure à celle des réactions chimiques, car l'énergie de liaison des nucléons dans un noyau est bien supérieure à l'énergie de liaison des électrons dans un atome. Par exemple, l'énergie d'ionisation résultant de la liaison d'un électron à un proton pour former un atome d'hydrogène est de 13,6 électron-volts, soit moins d'un millionième des 17 MeV libérés par la réaction du deutérium avec le tritium, qui est décrite ci-dessous.
Il existe deux types d'interactions à l'œuvre dans le noyau atomique : la force forte, qui maintient les protons et les neutrons ensemble, et la répulsion électrostatique beaucoup plus faible entre les protons de charge égale du noyau, tente de briser le noyau. L'interaction forte ne se manifeste qu'à de très courtes distances entre les protons et les neutrons, qui sont directement adjacents les uns aux autres. Cela signifie également que les protons et les neutrons à la surface du noyau sont plus faibles que les protons et les neutrons à l'intérieur du noyau. La force de répulsion électrostatique agit plutôt à n'importe quelle distance et est inversement proportionnelle au carré distances entre les charges, c'est-à-dire que chaque proton du noyau interagit avec chaque un autre proton dans le noyau. Cela conduit au fait qu'avec une augmentation de la taille du noyau, les forces qui maintiennent le noyau augmentent jusqu'à un certain numéro atomique (un atome de fer), puis commencent à s'affaiblir. A partir de l'uranium, l'énergie de liaison devient négative et les noyaux des éléments lourds deviennent instables.
Ainsi, pour réaliser une réaction de fusion nucléaire, il est nécessaire de dépenser une certaine quantité d'énergie pour vaincre la force de répulsion électrostatique entre deux noyaux atomiques et les amener à une distance où une forte interaction commence à apparaître. L'énergie nécessaire pour vaincre la force de répulsion électrostatique s'appelle la barrière de Coulomb.
La barrière de Coulomb est faible pour les isotopes de l'hydrogène car ils n'ont qu'un seul proton dans le noyau. Pour un mélange DT, la barrière d'énergie résultante est de 0,1 MeV. A titre de comparaison, il ne faut que 13 eV pour retirer un électron d'un atome d'hydrogène, soit 7500 fois moins. Lorsque la réaction de fusion est terminée, le nouveau noyau passe à un niveau d'énergie inférieur et libère de l'énergie supplémentaire, émettant un neutron d'une énergie de 17,59 MeV, ce qui est nettement supérieur à ce qui est nécessaire pour démarrer la réaction. Autrement dit, la réaction de fusion DT est hautement exothermique et est une source d'énergie.
Si le noyau fait partie du plasma proche de l'état d'équilibre thermique, la réaction de fusion est appelée fusion thermonucléaire. Puisque la température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne des particules, le chauffage du plasma peut fournir aux noyaux suffisamment d'énergie pour franchir la barrière de 0,1 MeV. En convertissant eV en Kelvin, nous obtenons des températures supérieures à 1 GK, ce qui est une température extrêmement élevée.
Il existe cependant deux phénomènes qui permettent de diminuer la température de réaction requise. Tout d'abord, la température réfléchissante milieu l'énergie cinétique, c'est-à-dire même à des températures inférieures à l'équivalent de 0,1 MeV, certains des noyaux auront des énergies bien supérieures à 0,1 MeV, les autres auront des énergies bien inférieures. Deuxièmement, il faut tenir compte du phénomène d'effet tunnel quantique, lorsque les noyaux franchissent la barrière de Coulomb, ayant une énergie insuffisante. Cela permet d'obtenir des réactions de fusion (lente) à basse température.
Important pour comprendre la réaction de fusion est le concept coupe transversale réactions ? : mesures de la probabilité d'une réaction de fusion en fonction de la vitesse relative de deux noyaux en interaction. Pour une réaction de fusion thermonucléaire, il est plus commode de considérer la valeur moyenne de la distribution du produit de la section efficace et de la vitesse nucléaire . En l'utilisant, on peut écrire la vitesse de réaction (fusion de noyaux par volume par temps) comme

Où n 1 et n 2 est la densité des réactifs. augmente de zéro à température ambiante à une valeur significative déjà à des températures)