Reactii termonucleare

REACTII TERMONUCLEARE

1 Bazele fizice ale reactiilor termonucleare

Fuziunea termonucleara controlata este astazi calea cea mai promitatoare pentru energetica viitorului, realizarea ei urmand sa asigure, pe o perioada practic nelimitata, intreg necesarul de energie al omenirii, utilizand drept combustibil hidrogenul greu din apa.

Elementul de baza pentru reactia de fuziune este atomul de hidrogen, care este format dintr-un nucleu incarcat pozitiv, in jurul caruia se roteste un electron. Exista si un hidrogen de doua ori mai mai greu - izotop al hidrogenului, cu denumirea de deuteriu - care are aceleasi proprietati cu hidrogenul descris mai inainte, dar al carui nucleu este alcatuit dintr-un proton si un neutron, acesta din urma fiind o particula practic de aceeasi greutate ca ptotonul, neutra din punct de vedere electric. Exista si un izotop si mai greu al hidrogenului, denumit tritiu, si al carui nucleu are un proton si doi neutroni.

Reactia de fuziune in care din cele doua nuclee de hidrogen greu se obtine un nucleu de heliu s-ar putea reprezenta ca in figura 3.

Fig. 3. Reactia de fuziune deuteriu - deuteriu

Dupa cum se vede din reactia aratata mai sus, la ciocnirea a doua nuclee de deuteriu rezulta un nucleu de heliu (particula α), cu o energie de 0.82 MeV, si un neutron liber, care are o energie de 45 MeV. Masa elementelor care intra in reactie este mai mare decat masa elementelor rezultate, defectul de masa regasindu-se in conformitate cu relatia lui Einstein in energia particulelor rezultate:

,  (1)

unde E este energia particulelor dupa reactie, ΔM defectul de masa, iar c2 patratul vitezei luminii.
O asemenea reactie nu poate avea loc insa cu usurinta din mai multe motive.
In primul rand nucleele au dimensiuni foarte mici, de ordinul 10-13 cm, adica de 100000 de ori mai mici decat dimensiunile atomilor. Rezulta de aici ca probabilitatea de realizare a reactiilor termonucleare este de milioane de ori mai mica decat cea a reactiilor chimice.
In al doilea rand, pentru a realiza reactia de fuziune, cele doua nuclee de deuteriu trebuie sa se apropie la distante foarte mici - de ordinul de marime a dimensiunilor lor. Dar aceste nuclee sunt incarcate cu sarcina electrica pozitiva, deci se resping cu atat mai mult cu cat distanta dintre ele este mai mica. Calculele au aratat ca ca pentru a invinge aceste forte si pentru a contopi intr-o noua partiula, nucleele de deuteriu trebuie sa aiba energii de ordinul a 0.1 MeV. Pentru a avea asemenea energii, temperatura gazului constituit din nucleele grele trebuie sa fie mai mare de 100 milioane grade, temperaturi la care materia nu poate exista decat in stare de plasma.

Exista posibilitatea de a realiza reactia de fuziune la temperaturi ceva mai scazute, daca se considera drept combustibil amestecul deuteriu - tritiu. O astfel de reactie (Fig. 4) necesita pentru amorsare o temperatura de peste 50 milione de grade.

Fig. 4. Reactia de fuziune deuteriu - tritiu

2 Instalatii pentru realizarea reactiei termonucleare controlate

Desi in prezent cele mai promitatoare cai pentru obtinerea reactiei termonucleare par sa fie numai doua, si anume fuziunea in instalatii de tip Tokamak si fuziunea cu radiatie laser, exista si cateva instalatii experimentale facute in laborator in directia reactiei termonucleare controlate.

a) Instalatia cu capcana magnetica

Limitarea plasmei fata de peretii tubului se poate face cu ajutorul instalatiei cu oglinzi magnetice. Intr-o asemenea configuratie a campului magnetic nu exista nici o limitare pentru pierderile de particule din plasma pe la capetele tubului. Aceste pierderi pot fi diminuate alegand o forma speciala a campului magnetic la capetele tubului, realizandu-se asa-numita capcana magnetica. O asemenea configuratie se poate realiza alegand cete o bobina suplimentara, asezata la fiecare capat al tubului ce contine plasma. In asemenea configuratie de capcana magnetica exista inca pierderi de particule incarcate pe la capetele tubului, calculele aratand ca aceste pierderi au loc pentru particulele care se apropie de extremitati pe o directie apropiata de axa tubului.

b) Instalatia de fuziune tip Tokamak

Configuratia anterioara de capcana magnetica prezenta inconvenientul de a permite pierderi de particule pe la capetele tubului. O idee pe cat de simpla pe atat de ingenioasa a eliminat acest inconvenientunind capetele tubului cu plasma, care va arata ca un covrig (figura 5). Plasma din interiorul acestui tub inelar, denumit tor, va fi mentinuta departe de peretii incintei toroidale de catre campul magnetic produs de curentul ce trece prin bobinajul cu care este infasurat.

Pentru a intelege modul in care se realizeaza plasma de temperatura inalta in instalatia Tokamak, vom face referire la figura 6.

Plasma care se afla in torul de raza R formeaza secundarul unui grup de transformatoare dintre care in figura se arata numai unul. In plasma, care dupa cum se stie poate fi considerata un conductor, apar curenti de inductie asa cum apar in secundarul oricarui transormator. Acesti curenti de mare intensitate duc la incalzire ohmica a plasmei.

In acelasi timp, curentul care trece prin preajma produce un camp magnetic, liniile de camp magnetic fiind cercuri concentrice in jurul snurului de plasma, camp care poarta denumirea de camp magnetic poloidal.

 

Fig 5. Forma incintei toroidale cu plasma (instalatie tip Tokamak)

Deoarece acest camp nu este suficient de mare pentru a asigura stabilitatea plasmei si cu cat mai putin confinarea ei, torul care contine plasma trece printr-un numar de bobine care produc un camp magnetic intens toroidal de-a lungul snurului de plasma.

Cele aratate aici reprezinta desigur o imagine principala si mult simplificata a instalatiei Tokamak.
Experientele efectuate au aratat ca, in asemenea instalatii, prin incalzirea plasmei pe cale ohmica nu se poate atinge o temperatura a plasmei de 3 keV (30 milioane de grade), fata de necesarul de 5 keVpentru a porni reactii termonucleare. Solutia propusa si pentru care se face cercetari intense in prezent este ca restul de energie sa fie introdus prin injectarea in Tokamak de particule neutre de deuteriu si tritiu, dar care sa aiba energii cat mai mari.

Fig. 6 Elementele constructive esentiale ale unei instalatii tip Tokamak