熱核爆弾の設置。発明と生産の歴史

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熱核爆弾の設置。発明と生産の歴史

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科学者たちは、エネルギー目的で熱核反応を使用する問題に長年取り組んできました。独自の熱核施設が作成されました。これは、水素爆弾の爆発中にのみ放出される巨大なエネルギーを取得する可能性を研究するために設計された最も複雑な技術装置です。科学者たちは、熱核反応（重水素核（重水素とトリチウム）と高温でのヘリウム核の形成を組み合わせる反応）の過程を制御して、この間に放出されたエネルギーを平和的な目的に使用する方法を学びたいと考えています。人々の利益。

熱核プラント

300リットルの水道水に含まれる重水素はごくわずかです。しかし、この重水素を集めて熱核融合施設の燃料として使用すれば、約 160 キログラムの石油を燃やすのと同じくらいのエネルギーを得ることができます。そして、60000年で生産される従来の燃料を燃やすことによって現在得られるエネルギーを提供するためには、一辺がわずかXNUMXメートルの立方体に含まれる水から重水素を抽出する必要があります. ヴォルガ川だけでも、毎年約 XNUMX 立方メートルの水をカスピ海に運んでいます。

熱核反応が起こるには、いくつかの条件を満たす必要があります。したがって、重い水素原子核が結合するゾーンの温度は、約 100 億度になるはずです。このような巨大な温度では、もはやガスについてではなく、プラズマについて話しています。プラズマは、高いガス温度で中性原子が電子を失い、陽イオンに変わるときの物質の状態です。言い換えれば、プラズマは自由に移動する陽イオンと電子の混合物です。 100 番目の条件は、XNUMX 立方センチメートルあたり少なくとも XNUMX 兆個の粒子のプラズマ密度を反応ゾーンで維持する必要があることです。そして最後に、主で最も困難なことは、熱核反応の過程を少なくともXNUMX秒間維持することです。

熱核施設の作業室は、巨大な中空ベーグルに似たトロイダルです。それは重水素とトリチウムの混合物で満たされています。チャンバー自体の内部にプラズマコイルが作成されます。これは、約20万アンペアの電流が流れる導体です。

電流は XNUMX つの重要な機能を果たします。まず、プラズマを生成します。次に、XNUMX 億度まで加熱します。そして最後に、電流はそれ自体の周りに磁場を作成します。つまり、磁力線でプラズマを囲みます。原則として、プラズマの周りの力線は、プラズマを浮遊させ、プラズマがチャンバーの壁に触れないようにする必要があります.しかし、プラズマを浮遊させたままにすることはそれほど簡単ではありません.

電気力は、金属導体の強度を持たないプラズマ導体を変形させます。それは曲がり、チャンバーの壁にぶつかり、熱エネルギーを与えます。これを防ぐために、より多くのコイルがトロイダルチャンバーの上部に配置され、チャンバー内に縦方向の磁場が作成され、プラズマ導体が壁から押し出されます。通電中のプラズマ導体は伸びて直径が大きくなる傾向があるため、これだけでは十分ではありません。

プラズマ導体が膨張するのを防ぐために、外部からの外力なしに自動的に生成される磁場も必要です。プラズマ導体は、トロイダルチャンバーとともに、非磁性材料（通常は銅）で作られた別のより大きなチャンバーに配置されます。プラズマ導体が平衡位置から逸脱しようとするとすぐに、電磁誘導の法則に従って、銅シース内で、プラズマ内の電流とは逆の誘導電流が発生します。その結果、チャンバーの壁からプラズマをはじく反対の力が現れます。

磁場によってプラズマがチャンバーの壁と接触しないようにすることは、1949 年に A.D. サハロフ、そして少し後にアメリカのJ.スピッツァー。

物理学では、実験装置の新しいタイプごとに名前を付けるのが通例です。このような巻線システムを備えた構造は、「トロイダルチャンバーと磁気コイル」の略であるトカマクと呼ばれます。

1970年代、ソ連に「トカマク-10」と呼ばれる熱核施設が建設されました。それは原子力研究所で開発されました。 I.V. クルチャトフ。この設備では、プラズマ導体の温度は10万度、プラズマ密度は100立方センチメートルあたり0,5万粒子以上、プラズマ保持時間は15秒近くでした。我が国で今日最大の施設であるトカマク-XNUMXは、モスクワ研究センターのクルチャトフ研究所にも建設されました。

熱核プラント
トカマク (磁気コイル付きトロイダルチャンバー)

これまでに作成されたすべての熱核施設は、プラズマ加熱と磁場の作成のためにエネルギーを消費するだけです。それどころか、将来の熱核プラントは、そのごく一部が熱核反応を維持するために、つまりプラズマを加熱し、磁場を生成し、多くの補助装置や装置に電力を供給するために使用できるほど多くのエネルギーを放出するはずです。そして電気ネットワークで消費するための主要部分を与える

1997 年、イギリスの JET トカマクで、入力と受信エネルギーが一致しました。もちろん、これはプロセスの自立には十分ではありませんが、受け取ったエネルギーの最大80％が失われます。原子炉が機能するためには、プラズマの加熱と磁場の生成に費やされるエネルギーの XNUMX 倍のエネルギーを生成する必要があります。

1986 年、欧州連合の国々は、ソ連、米国、日本とともに、2010 年までに、プラズマ中の熱核融合を維持するためだけでなく、有用なエネルギーを得るために十分な大きさのトカマクを共同で開発し、建設することを決定しました。電力。この原子炉は、国際熱核実験炉の略である ITER と名付けられました。 1998年までに、彼らはなんとか設計計算を完了することができましたが、アメリカ人の失敗により、コストを削減するために原子炉の設計に変更を加える必要がありました。

パーティクルを自然に動かし、パスに沿った形状をカメラに与えることができます。カメラはかなり奇妙な外観をしています。複雑な構成の外部コイルの磁場に現れるプラズマフィラメントの形状を繰り返します。磁場は、トカマクよりもはるかに複雑な構成の外部コイルによって作成されます。この種のデバイスはステラレータと呼ばれます。 Torsatron「Hurricane-3M」が我が国に建設されました。この実験用ステラレータは、XNUMX 万度に加熱されたプラズマを含むように設計されています。

熱核プラント
重水素-トリチウム反応のスキーム

現在、トカマクには、慣性熱核融合を使用する他の深刻な競争相手がいます。この場合、数ミリグラムの重水素とトリチウムの混合物が、直径 1 ～ 2 mm のカプセルに封入されています。数十個の強力なレーザーのパルス放射がカプセルに集中しています。その結果、カプセルは瞬時に蒸発します。 2〜5ナノ秒で10MJのエネルギーを放射線に投入する必要があります。次に、軽い圧力が混合物を熱核融合反応が起こる程度まで圧縮します。爆発中に放出されるエネルギーは、2010キログラムのTNTの爆発に相当する出力であり、より便利な使用形態に変換されます。たとえば、電気エネルギーです。このタイプの実験施設（NIF）は米国で建設中で、XNUMX 年に稼働を開始する予定です。

しかし、ステラレータや慣性核融合施設の建設も深刻な技術的困難に直面しています。おそらく、熱核エネルギーの実用化は近い将来の問題ではありません。

著者：Musskiy S.A.

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