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HISTOIRE DE LA TECHNOLOGIE, TECHNOLOGIE, OBJETS AUTOUR DE NOUS
Installation thermonucléaire. Histoire de l'invention et de la production
Annuaire / L'histoire de la technologie, de la technologie, des objets qui nous entourent Les scientifiques se sont penchés sur le problème de l'utilisation des réactions thermonucléaires à des fins énergétiques pendant de nombreuses années. Des installations thermonucléaires uniques ont été créées - les dispositifs techniques les plus complexes conçus pour étudier la possibilité d'obtenir une énergie colossale, qui n'est jusqu'à présent libérée que lors de l'explosion d'une bombe à hydrogène. Les scientifiques veulent apprendre à contrôler le déroulement d'une réaction thermonucléaire - la réaction de combinaison de noyaux d'hydrogène lourds (deutérium et tritium) avec la formation de noyaux d'hélium à haute température - afin d'utiliser l'énergie libérée lors de celle-ci à des fins pacifiques, pour le bénéfice des personnes.
Il y a très peu de deutérium dans un litre d'eau du robinet. Mais si ce deutérium est collecté et utilisé comme combustible dans une installation thermonucléaire, vous pouvez obtenir autant d'énergie qu'en brûlant près de 300 kilogrammes de pétrole. Et pour fournir l'énergie que l'on obtient aujourd'hui en brûlant du combustible conventionnel extrait en un an, il faudrait extraire du deutérium de l'eau contenue dans un cube de seulement 160 mètres de côté. La Volga transporte à elle seule environ 60000 XNUMX mètres cubes d'eau vers la mer Caspienne chaque année. Pour qu'une réaction thermonucléaire se produise, plusieurs conditions doivent être remplies. Ainsi, la température dans la zone où les noyaux d'hydrogène lourds se combinent devrait être d'environ 100 millions de degrés. A une température aussi énorme, on ne parle plus d'un gaz, mais d'un plasma. Le plasma est un tel état de la matière lorsque, à des températures de gaz élevées, les atomes neutres perdent leurs électrons et se transforment en ions positifs. En d'autres termes, le plasma est un mélange d'ions positifs et d'électrons en mouvement libre. La deuxième condition est la nécessité de maintenir une densité de plasma dans la zone de réaction d'au moins 100 XNUMX milliards de particules par centimètre cube. Et, enfin, le principal et le plus difficile est de maintenir le cours de la réaction thermonucléaire pendant au moins une seconde. La chambre de travail d'une installation thermonucléaire est toroïdale, semblable à un énorme bagel creux. Il est rempli d'un mélange de deutérium et de tritium. À l'intérieur de la chambre elle-même, une bobine de plasma est créée - un conducteur à travers lequel passe un courant électrique d'environ 20 millions d'ampères. Le courant électrique remplit trois fonctions importantes. Tout d'abord, il crée du plasma. Deuxièmement, il le chauffe jusqu'à cent millions de degrés. Et, enfin, le courant crée un champ magnétique autour de lui, c'est-à-dire qu'il entoure le plasma de lignes de force magnétiques. En principe, les lignes de force autour du plasma doivent le maintenir en suspension et empêcher le plasma de toucher les parois de la chambre, mais maintenir le plasma en suspension n'est pas si simple. Les forces électriques déforment le conducteur de plasma, qui n'a pas la force d'un conducteur métallique. Il se plie, heurte la paroi de la chambre et lui donne son énergie thermique. Pour éviter cela, plusieurs bobines sont placées au-dessus de la chambre toroïdale, ce qui crée un champ magnétique longitudinal dans la chambre, qui éloigne le conducteur de plasma des parois. Seulement cela ne suffit pas, puisque le conducteur plasma porteur de courant a tendance à s'étirer, à augmenter son diamètre. Le champ magnétique, qui est créé automatiquement, sans forces externes externes, est également sollicité pour empêcher le conducteur de plasma de se dilater. Le conducteur de plasma est placé avec la chambre toroïdale dans une autre chambre plus grande faite d'un matériau non magnétique, généralement du cuivre. Dès que le conducteur de plasma tente de s'écarter de la position d'équilibre, dans la gaine de cuivre, selon la loi de l'induction électromagnétique, un courant d'induction apparaît, qui est opposé au courant dans le plasma. En conséquence, une force opposée apparaît, qui repousse le plasma des parois de la chambre. Empêcher le plasma d'entrer en contact avec les parois de la chambre par un champ magnétique a été proposé en 1949 par A.D. Sakharov, et un peu plus tard l'Américain J. Spitzer. En physique, il est d'usage de donner des noms à chaque nouveau type de montage expérimental. Une structure avec un tel système d'enroulement est appelée tokamak - abréviation de "chambre toroïdale et bobine magnétique". Dans les années 1970, une installation thermonucléaire appelée "Tokamak-10" a été construite en URSS. Il a été développé à l'Institut de l'énergie atomique. I.V. Kourtchatov. Sur cette installation, la température du conducteur de plasma était de 10 millions de degrés, la densité du plasma n'était pas inférieure à 100 0,5 milliards de particules par centimètre cube et le temps de rétention du plasma était proche de 15 seconde. La plus grande installation actuelle de notre pays, Tokamak-XNUMX, a également été construite au Centre de recherche de Moscou, l'Institut Kurchatov.
Toutes les installations thermonucléaires créées jusqu'à présent ne consomment de l'énergie que pour le chauffage du plasma et la création de champs magnétiques. Une centrale thermonucléaire du futur, au contraire, devrait libérer tellement d'énergie qu'une petite partie de celle-ci pourrait être utilisée pour entretenir une réaction thermonucléaire, c'est-à-dire pour chauffer le plasma, créer des champs magnétiques et alimenter de nombreux appareils et dispositifs auxiliaires, et donner la part principale pour la consommation dans le réseau électrique En 1997, au Royaume-Uni, sur le tokamak JET, l'énergie entrante et reçue coïncidaient. Bien que cela ne soit bien sûr pas suffisant pour l'auto-entretien du processus: jusqu'à 80% de l'énergie reçue est perdue. Pour que le réacteur fonctionne, il est nécessaire de produire cinq fois plus d'énergie que celle dépensée pour chauffer le plasma et créer des champs magnétiques. En 1986, les pays de l'Union européenne, ainsi que l'URSS, les États-Unis et le Japon, ont décidé de développer et de construire conjointement d'ici 2010 un tokamak suffisamment grand capable de produire de l'énergie non seulement pour maintenir la fusion thermonucléaire dans le plasma, mais aussi pour obtenir des Puissance électrique. Ce réacteur a été nommé ITER, abréviation de International Thermonuclear Experimental Reactor. En 1998, ils ont réussi à terminer les calculs de conception, mais en raison de l'échec des Américains, des modifications ont dû être apportées à la conception du réacteur afin de réduire son coût. Vous pouvez laisser les particules se déplacer naturellement et donner à la caméra une forme qui suit leur trajectoire. La caméra a alors une apparence assez bizarre. Il reprend la forme d'un filament de plasma qui apparaît dans le champ magnétique de bobines externes de configuration complexe. Le champ magnétique est créé par des bobines externes d'une configuration beaucoup plus complexe que dans un tokamak. Les appareils de ce type sont appelés stellarators. Torsatron "Hurricane-3M" a été construit dans notre pays. Ce stellarator expérimental est conçu pour contenir du plasma chauffé à dix millions de degrés.
Actuellement, les tokamaks ont d'autres concurrents sérieux utilisant la fusion thermonucléaire inertielle. Dans ce cas, plusieurs milligrammes du mélange deutérium-tritium sont enfermés dans une capsule de 1 à 2 mm de diamètre. Le rayonnement pulsé de plusieurs dizaines de lasers puissants est focalisé sur la capsule. En conséquence, la capsule s'évapore instantanément. Il est nécessaire de mettre 2 MJ d'énergie en rayonnement en 5 à 10 nanosecondes. Ensuite, la légère pression comprimera le mélange à un point tel qu'une réaction de fusion thermonucléaire pourra avoir lieu. L'énergie libérée lors de l'explosion, équivalente en puissance à une explosion de cent kilogrammes de TNT, sera convertie en une forme plus pratique à utiliser - par exemple, en une forme électrique. Une installation expérimentale de ce type (NIF) est en cours de construction aux États-Unis et devrait démarrer en 2010. Cependant, la construction de stellarators et d'installations de fusion inertielle rencontre également de sérieuses difficultés techniques. Probablement, l'utilisation pratique de l'énergie thermonucléaire n'est pas une question d'avenir proche. Auteur : Musskiy S.A.
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