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HISTORIA DE LA TECNOLOGÍA, TECNOLOGÍA, OBJETOS ALREDEDOR DE NOSOTROS
Instalación termonuclear. Historia de la invención y la producción.
Directorio / La historia de la tecnología, la tecnología, los objetos que nos rodean. Los científicos han estado lidiando con el problema del uso de reacciones termonucleares con fines energéticos durante muchos años. Se han creado instalaciones termonucleares únicas: los dispositivos técnicos más complejos diseñados para estudiar la posibilidad de obtener energía colosal, que hasta ahora se libera solo durante la explosión de una bomba de hidrógeno. Los científicos quieren aprender a controlar el curso de una reacción termonuclear -la reacción de combinar núcleos pesados de hidrógeno (deuterio y tritio) con la formación de núcleos de helio a altas temperaturas- para utilizar la energía liberada con fines pacíficos, por ejemplo el beneficio de las personas.
Hay muy poco deuterio en un litro de agua del grifo. Pero si este deuterio se recoge y se utiliza como combustible en una instalación termonuclear, se puede obtener tanta energía como quemando casi 300 kilogramos de petróleo. Y para proporcionar la energía que ahora se obtiene quemando combustible convencional extraído en un año, sería necesario extraer deuterio del agua contenida en un cubo de sólo 160 metros de lado. Solo el río Volga transporta alrededor de 60000 metros cúbicos de agua al mar Caspio cada año. Para que ocurra una reacción termonuclear, se deben cumplir varias condiciones. Así, la temperatura en la zona donde se combinan los núcleos pesados de hidrógeno debería ser de aproximadamente 100 millones de grados. A una temperatura tan grande, ya no estamos hablando de un gas, sino de un plasma. El plasma es un estado de la materia en el que, a altas temperaturas del gas, los átomos neutros pierden sus electrones y se convierten en iones positivos. En otras palabras, el plasma es una mezcla de iones y electrones positivos que se mueven libremente. La segunda condición es la necesidad de mantener una densidad de plasma en la zona de reacción de al menos 100 billones de partículas por centímetro cúbico. Y, finalmente, lo principal y más difícil es mantener el curso de la reacción termonuclear durante al menos un segundo. La cámara de trabajo de una instalación termonuclear es toroidal, similar a un enorme panecillo hueco. Está lleno de una mezcla de deuterio y tritio. Dentro de la cámara misma, se crea una bobina de plasma, un conductor a través del cual pasa una corriente eléctrica de aproximadamente 20 millones de amperios. La corriente eléctrica realiza tres funciones importantes. Primero, crea plasma. En segundo lugar, lo calienta hasta cien millones de grados. Y, finalmente, la corriente crea un campo magnético a su alrededor, es decir, rodea el plasma con líneas de fuerza magnéticas. En principio, las líneas de fuerza alrededor del plasma deberían mantenerlo suspendido y evitar que el plasma toque las paredes de la cámara, sin embargo, mantener el plasma suspendido no es tan simple. Las fuerzas eléctricas deforman el conductor de plasma, que no tiene la fuerza de un conductor metálico. Se dobla, golpea la pared de la cámara y le da su energía térmica. Para evitar esto, se colocan más bobinas en la parte superior de la cámara toroidal, que crean un campo magnético longitudinal en la cámara, que empuja al conductor de plasma lejos de las paredes. Solo que esto no es suficiente, ya que el conductor de plasma que transporta corriente tiende a estirarse para aumentar su diámetro. El campo magnético, que se crea automáticamente, sin fuerzas externas extrañas, también se utiliza para evitar que el conductor de plasma se expanda. El conductor de plasma se coloca junto con la cámara toroidal en otra cámara más grande hecha de un material no magnético, generalmente cobre. Tan pronto como el conductor de plasma intenta desviarse de la posición de equilibrio, en la cubierta de cobre, de acuerdo con la ley de inducción electromagnética, surge una corriente de inducción que es opuesta a la corriente en el plasma. Como resultado, aparece una fuerza opuesta que repele el plasma de las paredes de la cámara. En 1949, A.D. Sakharov, y un poco más tarde el estadounidense J. Spitzer. En física, se acostumbra dar nombres a cada nuevo tipo de montaje experimental. Una estructura con un sistema de bobinado de este tipo se llama tokamak, abreviatura de "cámara toroidal y bobina magnética". En la década de 1970, se construyó en la URSS una instalación termonuclear llamada "Tokamak-10". Fue desarrollado en el Instituto de Energía Atómica. IV Kurchatov. En esta instalación, la temperatura del conductor de plasma era de 10 millones de grados, la densidad del plasma no era inferior a 100 0,5 millones de partículas por centímetro cúbico y el tiempo de retención del plasma era cercano a 15 segundos. La instalación más grande de hoy en nuestro país, Tokamak-XNUMX, también se construyó en el Instituto Kurchatov del Centro de Investigación de Moscú.
Todas las instalaciones termonucleares creadas hasta ahora solo consumen energía para el calentamiento del plasma y la creación de campos magnéticos. Una planta termonuclear del futuro, por el contrario, debería liberar tanta energía que una pequeña parte de ella podría ser utilizada para mantener una reacción termonuclear, es decir, para calentar el plasma, crear campos magnéticos y alimentar muchos aparatos y aparatos auxiliares, y dar la parte principal para el consumo en la red eléctrica En 1997, en el Reino Unido, en el JET tokamak, coincidieron la entrada y la energía recibida. Aunque esto, por supuesto, no es suficiente para el autosostenimiento del proceso: se pierde hasta el 80 por ciento de la energía recibida. Para que el reactor funcione, es necesario producir cinco veces más energía de la que se gasta en calentar el plasma y crear campos magnéticos. En 1986, los países de la Unión Europea, junto con la URSS, EE. UU. y Japón, decidieron desarrollar y construir conjuntamente para 2010 un tokamak lo suficientemente grande capaz de producir energía no solo para mantener la fusión termonuclear en plasma, sino también para obtener energía útil. energía eléctrica. Este reactor se denominó ITER, abreviatura de International Thermonuclear Experimental Reactor. Para 1998, lograron completar los cálculos de diseño, pero debido al fracaso de los estadounidenses, hubo que hacer cambios en el diseño del reactor para reducir su costo. Puede dejar que las partículas se muevan naturalmente y darle a la cámara una forma que siga su camino. La cámara entonces tiene una apariencia bastante extraña. Repite la forma de un filamento de plasma que aparece en el campo magnético de bobinas externas de configuración compleja. El campo magnético es creado por bobinas externas de una configuración mucho más compleja que en un tokamak. Los dispositivos de este tipo se llaman stellarators. Torsatron "Hurricane-3M" se ha construido en nuestro país. Este estelarizador experimental está diseñado para contener plasma calentado a diez millones de grados.
Actualmente, los tokamaks tienen otros serios competidores que utilizan la fusión termonuclear inercial. En este caso, se encierran varios miligramos de la mezcla de deuterio y tritio en una cápsula de 1-2 mm de diámetro. La radiación pulsada de varias decenas de láseres potentes se enfoca en la cápsula. Como resultado, la cápsula se evapora instantáneamente. Es necesario poner 2 MJ de energía en radiación en 5-10 nanosegundos. Luego, la ligera presión comprimirá la mezcla hasta tal punto que puede tener lugar una reacción de fusión termonuclear. La energía liberada durante la explosión, equivalente en potencia a una explosión de cien kilogramos de TNT, se convertirá en una forma de uso más conveniente, por ejemplo, eléctrica. Una instalación experimental de este tipo (NIF) se está construyendo en EE. UU. y debería comenzar a operar en 2010. Sin embargo, la construcción de stellarators e instalaciones de fusión inercial también tropieza con serias dificultades técnicas. Probablemente, el uso práctico de la energía termonuclear no sea una cuestión de futuro próximo. Autor: Musskiy S.A.
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