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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Thermonukleare Anlage. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Wissenschaftler beschäftigen sich seit vielen Jahren mit dem Problem, thermonukleare Reaktionen für Energiezwecke zu nutzen. Es wurden einzigartige thermonukleare Anlagen geschaffen - die komplexesten technischen Geräte, mit denen die Möglichkeit untersucht werden soll, kolossale Energie zu gewinnen, die bisher nur bei der Explosion einer Wasserstoffbombe freigesetzt wird. Wissenschaftler wollen lernen, wie man den Ablauf einer thermonuklearen Reaktion – der Reaktion der Verbindung schwerer Wasserstoffkerne (Deuterium und Tritium) mit der Bildung von Heliumkernen bei hohen Temperaturen – steuern kann, um die dabei frei werdende Energie für friedliche Zwecke zu nutzen, z der Nutzen der Menschen.
Ein Liter Leitungswasser enthält sehr wenig Deuterium. Aber wenn dieses Deuterium gesammelt und als Brennstoff in einer thermonuklearen Anlage verwendet wird, dann kann man so viel Energie gewinnen wie aus der Verbrennung von fast 300 Kilogramm Öl. Und um die Energie bereitzustellen, die heute durch die Verbrennung herkömmlicher Brennstoffe gewonnen wird, die in einem Jahr abgebaut werden, müsste Deuterium aus dem Wasser extrahiert werden, das in einem Würfel mit einer Seitenlänge von nur 160 Metern enthalten ist. Allein die Wolga führt jährlich etwa 60000 solcher Kubikmeter Wasser ins Kaspische Meer. Damit eine thermonukleare Reaktion ablaufen kann, müssen mehrere Bedingungen erfüllt sein. Daher sollte die Temperatur in der Zone, in der sich schwere Wasserstoffkerne verbinden, etwa 100 Millionen Grad betragen. Bei solch einer enormen Temperatur sprechen wir nicht mehr von einem Gas, sondern von einem Plasma. Plasma ist ein solcher Materiezustand, in dem neutrale Atome bei hohen Gastemperaturen ihre Elektronen verlieren und sich in positive Ionen verwandeln. Mit anderen Worten, Plasma ist eine Mischung aus sich frei bewegenden positiven Ionen und Elektronen. Die zweite Bedingung ist die Notwendigkeit, in der Reaktionszone eine Plasmadichte von mindestens 100 Milliarden Teilchen pro Kubikzentimeter aufrechtzuerhalten. Und schließlich ist das Wichtigste und Schwierigste, den Verlauf der thermonuklearen Reaktion mindestens eine Sekunde lang aufrechtzuerhalten. Die Arbeitskammer einer thermonuklearen Anlage ist ringförmig, ähnlich einem riesigen hohlen Bagel. Es ist mit einer Mischung aus Deuterium und Tritium gefüllt. In der Kammer selbst entsteht eine Plasmaspule - ein Leiter, durch den ein elektrischer Strom von etwa 20 Millionen Ampere geleitet wird. Elektrischer Strom erfüllt drei wichtige Funktionen. Erstens erzeugt es Plasma. Zweitens heizt es es auf hundert Millionen Grad auf. Und schließlich erzeugt der Strom um sich herum ein Magnetfeld, das heißt, er umgibt das Plasma mit magnetischen Kraftlinien. Im Prinzip sollten die Kraftlinien um das Plasma es in der Schwebe halten und verhindern, dass das Plasma die Wände der Kammer berührt, aber es ist nicht so einfach, das Plasma in der Schwebe zu halten. Elektrische Kräfte verformen den Plasmaleiter, der nicht die Stärke eines Metallleiters hat. Es biegt sich, trifft auf die Wand der Kammer und gibt ihr ihre Wärmeenergie ab. Um dies zu verhindern, werden auf die toroidale Kammer weitere Spulen gelegt, die in der Kammer ein Längsmagnetfeld erzeugen, das den Plasmaleiter von den Wänden wegdrückt. Nur reicht dies nicht aus, da der stromdurchflossene Plasmaleiter dazu neigt, sich zu dehnen, um seinen Durchmesser zu vergrößern. Das automatisch ohne äußere äußere Kräfte erzeugte Magnetfeld soll auch verhindern, dass sich der Plasmaleiter ausdehnt. Der Plasmaleiter wird zusammen mit der toroidalen Kammer in eine weitere größere Kammer aus einem nichtmagnetischen Material, üblicherweise Kupfer, eingebracht. Sobald der Plasmaleiter versucht, von der Gleichgewichtslage abzuweichen, entsteht im Kupfermantel nach dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion ein Induktionsstrom, der dem Strom im Plasma entgegengesetzt ist. Dadurch entsteht eine Gegenkraft, die das Plasma von den Wänden der Kammer abstößt. Um zu verhindern, dass das Plasma durch ein Magnetfeld mit den Wänden der Kammer in Kontakt kommt, wurde 1949 von A.D. Sacharow und etwas später der Amerikaner J. Spitzer. In der Physik ist es üblich, jedem neuartigen Versuchsaufbau einen Namen zu geben. Ein Gebilde mit einem solchen Wicklungssystem wird Tokamak genannt – kurz für „Toroid Chamber and Magnetic Coil“. In den 1970er Jahren wurde in der UdSSR eine thermonukleare Anlage namens "Tokamak-10" gebaut. Es wurde am Institut für Atomenergie entwickelt. IV. Kurtschatow. Bei dieser Installation betrug die Temperatur des Plasmaleiters 10 Millionen Grad, die Plasmadichte war nicht geringer als 100 Milliarden Teilchen pro Kubikzentimeter und die Plasmaretentionszeit lag nahe bei 0,5 Sekunden. Die heute größte Anlage in unserem Land, Tokamak-15, wurde ebenfalls am Moskauer Forschungszentrum Kurtschatow-Institut gebaut.
Alle bisher erstellten thermonuklearen Anlagen verbrauchen nur Energie für die Plasmaerwärmung und die Erzeugung von Magnetfeldern. Im Gegensatz dazu sollte eine thermonukleare Anlage der Zukunft so viel Energie freisetzen, dass ein kleiner Teil davon verwendet werden könnte, um eine thermonukleare Reaktion aufrechtzuerhalten, dh um das Plasma zu erhitzen, Magnetfelder zu erzeugen und viele Hilfsgeräte und -geräte mit Strom zu versorgen. und geben den Hauptteil für den Verbrauch im Stromnetz ab 1997 erreichten sie in Großbritannien auf dem JET-Tokamak die Koinzidenz der Eingabe und erhielten Energie. Wobei dies natürlich für den Selbsterhalt des Prozesses nicht ausreicht: Bis zu 80 Prozent der aufgenommenen Energie gehen verloren. Damit der Reaktor funktioniert, muss fünfmal mehr Energie erzeugt werden, als für die Erwärmung des Plasmas und die Erzeugung von Magnetfeldern aufgewendet wird. 1986 beschlossen die Länder der Europäischen Union zusammen mit der UdSSR, den USA und Japan, bis 2010 gemeinsam einen ausreichend großen Tokamak zu entwickeln und zu bauen, der in der Lage ist, Energie zu erzeugen, um nicht nur die thermonukleare Fusion im Plasma aufrechtzuerhalten, sondern auch nützlich zu sein elektrische Energie. Dieser Reaktor wurde ITER genannt, kurz für International Thermonuclear Experimental Reactor. Bis 1998 gelang es ihnen, die Konstruktionsberechnungen abzuschließen, aber aufgrund des Scheiterns der Amerikaner mussten Änderungen an der Konstruktion des Reaktors vorgenommen werden, um seine Kosten zu senken. Sie können die Partikel sich natürlich bewegen lassen und der Kamera eine Form geben, die ihrem Pfad folgt. Die Kamera sieht dann ziemlich skurril aus. Es wiederholt die Form eines Plasmafilaments, das im Magnetfeld externer Spulen mit komplexer Konfiguration erscheint. Das Magnetfeld wird durch externe Spulen erzeugt, die viel komplexer konfiguriert sind als in einem Tokamak. Geräte dieser Art werden Stellaratoren genannt. Torsatron "Hurricane-3M" wurde in unserem Land gebaut. Dieser experimentelle Stellarator soll ein auf zehn Millionen Grad erhitztes Plasma enthalten.
Derzeit haben Tokamaks andere ernsthafte Konkurrenten, die thermonukleare Trägheitsfusion verwenden. Dabei werden mehrere Milligramm des Deuterium-Tritium-Gemisches in einer Kapsel mit 1-2 mm Durchmesser eingeschlossen. Die gepulste Strahlung mehrerer zehn leistungsstarker Laser wird auf die Kapsel fokussiert. Dadurch verdunstet die Kapsel sofort. Es ist notwendig, 2 MJ Energie in 5-10 Nanosekunden in die Strahlung einzubringen. Dann komprimiert der leichte Druck das Gemisch so stark, dass eine thermonukleare Fusionsreaktion stattfinden kann. Die bei der Explosion freigesetzte Energie, die einer Explosion von hundert Kilogramm TNT entspricht, wird in eine für den Gebrauch bequemere Form umgewandelt - beispielsweise in eine elektrische. Eine solche Versuchsanlage (NIF) wird in den USA gebaut und soll 2010 in Betrieb gehen. Aber auch der Bau von Stellaratoren und Trägheitsfusionsanlagen stößt auf große technische Schwierigkeiten. Wahrscheinlich ist die praktische Nutzung thermonuklearer Energie keine Frage der nahen Zukunft. Autor: Musskiy S.A.
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