Reactorul de fuziune termonucleara

REACTORUL DE FUZIUNE TERMONUCLEARA

1 Constructia reactorului de fuziune

Cercetatorii au facut -deja - lucrari asupra problemelor care se pun in domeniul ingineriei conceptiei unui reactor cu fuziune deuterium-tritiu. Calculul parametrilor acestor reactori se face tinand seama de urmatoarele considerente:
- se considera ca o mare parte din energia termonucleara eliberata se prezinta sub forma de energie cinetica a neutronilor rapizi. Aceasta poate fi exploatata numai prin cicluri termice conventionale.
- energia particulelor incalzite se poate utilize atat pentru conversie directa in energie electrica cat si pentru inclazirea combustibilului deuterium-tritiu rece pana la temperatura de reactie necesara autointretinerii unui reactor.
-pentru a produce campurile magnetice necesare confinarii plasmei trebuie sa se utilizeze bobine supraconductoare care trebuie sa fie bine protejate contra fluxurilor de neutroni rapizi.
-studiile asupra dispersiei si absorbtiei neutronilor au dus la concluzia ca trebuie sa existe o patura de protectie cu grosimea de cel putin un metru.
- ordinul de marime pentru cea mai mare dimensiune a configuratiei de confinare va fi determinate de marimea ansamblului reactorului.
-acoperirea peretilor, care contin litiu pentru a crea tritium, vor fi parcurse de circuite de fluid schimbator de caldura destinate extraceri de energie. Ca fluid se prefera sarea Li2BeF4, florula de litiu si de beriliu topita sau litiu lighid.
-intreplacile de protectie va exista un spatiu vidat ai carui pereti sunt supusi la radiatii intense.
-ruperea prin obosire si dilatare termica diferentiala a materialelor limiteaza fluxul energetic la 107 Wm-2.
-valorile coeficientului de difuzie normale si raportul presiunii campului magnetic la cea a plasmei (pentru a asigura confimarea acesteia) dicteaza optimizarea campurilor si dimensiunile reactorului.
Figura 7 este o schita generala care arata o sectiune in camera unui posibil reactor de fuziune de tip Tokamak, in se presupune ca are loc reactia termonucleara.
 

Fig.7 Reprezentarea schematica a constructiei reactorului de fuziune TFR

2 Conditii de functionare pentru un reactor de fuziune nucleara

Realizarea unei reactii termonucleare este echilibrata cu obtinerea unei "stele" in laboratoarele terestre, adica, obtinerea plasmei termonucleare.
In esenta oricare reactie exoenergetica se poate autointretinere fie printr-un proces de tip comustie (cazul reactilor nucleari), fie printr-un proces de tip explozie(cazul bombei atomice).
Fuziunea nu este - in mod fundamental - diferita: deosebirea principala rezulta din viteza de propagare a fenomenelor. In cazul combustiei, analog cu cel al fuziunii nucleare, punctual de aprindere este atins atunci cand caldura degajata de combustie este destul de mare pentru a mentine reactia.
Este stiut ca pentru a realize orice combustie continua, trebuie indeplinite conditiile:
-combustibilul sa fie adus la o temperatura superioara punctului sau de aprindere.
-cantitatea de combustibil sa fie suficienta pentru ca pierderile sa fie inferioare energiei degajete si pentru ca reactia sa se autointretina.
-caldura produsa pe aceasta cale trebuie sa fie "controlata", adica, sa serveasca - de exemplu- la vaporizarea apei si la incalzirea vaporilor produsi pentru a reliza o masina puternica.
Conditiile de realizat pentru a mentine o reactie de fuziune si a realize un reactor "termonuclear" sunt analoage.
-mai intai, se va incalzi combustibilul nuclear, sub forma de plasma, pana la punctual de aprindere (cateva sute de milioane de grade).
-se va mentine la aceasta temperatura un timp destul de lung pentru ca reactiile de fuziune se degaja o cantitate suficienta de energie.
-in fine, se va extrage si se va utilize aceasta energie.
O conditie absolut necesara este ca reactia de fuziune sa fie exoenergetica (figura 8).
Reactia de fuziune nucleara va fi cu atat mai exploatabila, cu cat pentru un proiectil de energie cinetica data, sectiunea sa eficace va fi mai mare. Experimental, reprezentand sectiunea eficace a reactiilor termonucleare cele mai favorabile functie de energia deuteronului incident, se constata ca reactiile(D-T),  (D-He₂³) raspund cel mai bine la aceasta conditie.
Se pune problema determinarii temperaturii la care trebuie adusa plasma de deuteriu pur sau al unui amestec echiatomic de deuterium si tritiu, pentru ca agitatia termica sa fie astfel incat energia cinetica relativa medie a deuteronilor sa poseda o valoare pentru care sectiunea eficace a reactiei (D-D), respectiv (D-T) sa fie suficienta .
Notand cu ﻉ_c energia cinetica medie a constituentilor, avem =2/3k_BT, unde k_B =1,38041·10^-23J^-1.
 

Fig. 8 Energia eliberata de fuziunea si fusiunea nucleara

Spre deosebire de acceleratori unde se poate realiza usor un fascicul de deuteroni de 1 ke V, in acest caz este vorba de o agitatie termica dezordonata. Astfel, temperatura este caracterizata de energia medie a agitatiei termice dezordonata, termenul exact fiind cel de "temperature cinetica".
Conditia necesara de functionare a unui reactor de fuziune nucleara cere ca energia produsa prin reactii termonucleare sa fie mai mare decat diversele pierderi de energie. In cele ce urmeaza se neglijeaza pierderile prin conductivitate.
In plasma nu exista pierderi prin ionizare, dar gazul radiaza si energia pierduta -astfel- poate fi considerabil mare . Majoritatea acesteia este formata din radiate X de franare produse de ciocnirile electronilor cu nucleele plasmei. Pierderile prin radiatie la transformarea suprafetei exterioare a plasmei au loc printr-un mecanism analog cu cel de la reactorii de fisiune; peste o anumita valoare critica a volumului, pierderile devin inferioare cantitatii de energie produsa. Din calcule rezulta masa critica de aceasi ordine de marime cu cea a unei stele.