Fúzní reaktor

Základní vlastnosti

vytváří energii, mechanismus fúzní reaktor je spojení dvou lehkých atomových jader. Když se dvě jádra spojí, malé množství hmoty se přemění na velké množství energie. Energie (E) a hmotnost (m) jsou spojeny pomocí Einsteinova vztahu E = mc2, velký konverzní faktor c2, kde c je rychlost světla (3 × 108 metrů za sekundu, nebo 186.000 mil za sekundu). Hmota může být přeměněna na energii také jaderným štěpením, štěpením těžkého jádra. Tento proces štěpení se používá v jaderných reaktorech.

Fúzní reakce jsou inhibovány elektrické odpudivé síly, se nazývá Coulombova síla, která působí mezi dvěma kladně nabitými jádry. Pro jadernou fúzi, obě jádra, musí se k sobě přiblíží ve vysoké rychlosti s cílem překonat elektrické odpuzování a dosáhnout dostatečně malé oddělení (méně než jednu biliontinu centimetr) tak, že na krátkou vzdálenost, silný, síla dominuje. Pro výrobu užitečných množství energie musí být velké množství jader podrobeno fúzi; to znamená, že musí být vyroben plyn fúzujících jader. V plynu při extrémně vysokých teplotách obsahuje průměrné jádro dostatečnou kinetickou energii k fúzi. Takové médium může být vyrobeno zahříváním běžného plynu nad teplotu, při které jsou elektrony vyřazeny z jejich atomů. Výsledkem je ionizovaný plyn sestávající z volných negativních elektronů a pozitivních jader. Tento ionizovaný plyn je v plazmatickém stavu, čtvrtý stav hmoty. Většina hmoty ve vesmíru je v plazmatickém stavu.

získejte předplatné Britannica Premium a získejte přístup k exkluzivnímu obsahu. Přihlaste se k odběru

jádrem experimentálních fúzních reaktorů je vysokoteplotní plazma. K fúzi dochází mezi jádry, přičemž elektrony jsou přítomny pouze pro udržení makroskopické neutrality náboje. Teplota plazmy je o 100,000,000 kelvinech (K; o 100,000,000 °C, nebo 180,000,000 °F), což je více než šest krát teplota ve středu Slunce. (Vyšší teploty jsou vyžadovány pro nižší tlaky a hustoty, které se vyskytují ve fúzních reaktorech.) Plazma ztrácí energii prostřednictvím procesů jako je radiace, kondukce, konvekce, takže udržení horké plazmy vyžaduje, aby fúzní reakce přidat dostatek energie k vyrovnání energetických ztrát. V zájmu dosažení této rovnováhy, součin plazmové hustoty a její energie vězení čas (čas potřebný plazmy ke ztrátě jeho energie, pokud unreplaced) musí být vyšší než kritické hodnoty.

hvězdy, včetně Slunce, se skládají z plazmat, které generují energii fúzními reakcemi. V těchto přírodních fúzních reaktorech je plazma omezena při vysokých tlacích obrovským gravitačním polem. Není možné sestavit na Zemi plazmu dostatečně masivní, aby byla gravitačně omezena. Pro pozemské aplikace existují dva hlavní přístupy k řízené fúzi-jmenovitě magnetické omezení a inerciální omezení.

v magnetickém uvěznění je plazma s nízkou hustotou po dlouhou dobu omezena magnetickým polem. Hustota plazmatu je zhruba 1021 částic na metr krychlový, což je mnohatisíckrát méně než hustota vzduchu při pokojové teplotě. Doba omezení energie pak musí být alespoň jedna sekunda—tj. energie v plazmě musí být vyměněna každou sekundu.

v inerciálním uvěznění se nepokusí omezit plazmu nad dobu, po kterou je plazma rozebrána. Doba omezení energie je prostě čas potřebný k rozšíření tavné plazmy. Plazma je omezena pouze svou vlastní setrvačností a přežívá pouze asi jednu miliardtinu sekundy (jednu nanosekundu). Proto breakeven v tomto schématu vyžaduje velmi velkou hustotu částic, obvykle asi 1030 částic na metr krychlový, což je asi 100násobek hustoty kapaliny. Termonukleární bomba je příkladem inerciálně uzavřené plazmy. V elektrárně s inerciálním omezením je extrémní hustota dosažena stlačením tuhé pelety paliva v milimetrech pomocí laserů nebo paprsků částic. Tyto přístupy jsou někdy označovány jako laserová fúze nebo fúze částic a paprsků.

fúzní reakci nejméně obtížné dosáhnout kombinuje deuteronu (jádro deuteria atom) s triton (jádro tritia atom). Obě jádra jsou izotopy jádra vodíku a obsahují jednu jednotku kladného elektrického náboje. Fúze Deuterium-tritium (D-T) tedy vyžaduje, aby jádra měla nižší kinetickou energii, než je potřeba pro fúzi více nabitých, těžších jader. Dva produkty reakce jsou alfa částice (jádra atomu helia) na energii 3,5 milionů elektronvoltů (MeV) a neutronů na energii 14.1 MeV (1 MeV je energetický ekvivalent teploty asi 10 000 000 000 K). Neutron, chybí elektrický náboj, není ovlivněna elektrickým nebo magnetickým polem a mohou uniknout plazmu uložit své energie do okolního materiálu, jako je lithium. Teplo generované v lithiové „přikrývce“ pak může být přeměněno na elektrickou energii konvenčními prostředky, jako jsou parní turbíny. Elektricky nabité alfa částice se mezitím srazí s deuterony a tritony (jejich elektrickou interakcí) a mohou být magneticky omezeny v plazmě, čímž přenášejí svou energii na reagující jádra. Když tato redepozice fúzní energie do plazmy překročí výkon ztracený z plazmy, plazma bude soběstačná, nebo “ zapáleno.“

ačkoli se tritium nevyskytuje přirozeně, tritony a alfa částice vznikají, když jsou neutrony z fúzních reakcí D-T zachyceny v okolní lithiové pokrývce. Tritony jsou pak přiváděny zpět do plazmy. V tomto ohledu jsou fúzní reaktory d-T jedinečné, protože používají svůj odpad (neutrony) k výrobě více paliva. Celkově, fúzní reaktor D-T používá jako palivo deuterium a lithium a generuje helium jako vedlejší produkt reakce. Deuterium lze snadno získat z mořské vody-asi jedna z každých 3000 molekul vody obsahuje atom deuteria. Lithium je také hojné a levné. Ve skutečnosti je v oceánech dostatek deuteria a lithia, aby zajistily světové energetické potřeby po miliardy let. S deuteriem a lithiem jako palivem by byl fúzní reaktor D-T účinně nevyčerpatelným zdrojem energie.

praktický fúzní reaktor by měl také několik atraktivních bezpečnostních a environmentálních prvků. První, fúzní reaktor by nebylo uvolňování znečišťujících látek, které doprovázejí spalování fosilních paliv—zejména plynů, které přispívají ke globálnímu oteplování. Za druhé, protože fúzní reakce není řetězovou reakcí, fúzní reaktor nemůže podstoupit uprchlou řetězovou reakci nebo „roztavení“, jak se může stát ve štěpném reaktoru. Fúzní reakce vyžaduje uzavřeném horké plazmy, a každé přerušení plazma systém ovládání by uhasit plazmy a ukončit fusion. Za třetí, hlavní produkty fúzní reakce (atomy helia) nejsou radioaktivní. I když některé radioaktivní produkty jsou vyráběny absorpce neutronů v okolním materiálu, nízko-aktivační materiály existují taková, že tyto výrobky mají mnohem kratší poločas a jsou méně toxické než odpad jaderného reaktoru. Příklady takových materiálů s nízkou aktivací zahrnují speciální oceli nebo keramické kompozity (např., karbid křemíku).

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *