Fuzja Jądrowa: Kryterium Lawsona i Tokamak

Jedna reakcja, dwa produkty, 17,6 MeV

Najbardziej praktycznym reakcją termojądrową dla wytwarzania energii w perspektywie najbliższego czasu jest fuzja dwóch izotopów wodoru, deuteru i trytu, która prowadzi do powstania helu plus neutron:

²H + ³H → ⁴He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV) Całkowita energia uwalniana: 17,6 MeV na reakcję Różnica masy między substancjami reagującymi a produktami przekształca się bezpośrednio w energię zgodnie z ΔE = Δm·c² – około 10 milionów razy więcej energii na jednostkę masy niż spalanie węgla. Jądro helu-4, ze względu na ładunek elektryczny, jest uwięzione przez pole magnetyczne i podgrzewa plazmę, co ostatecznie umożliwia utrzymanie się reaktora. Neutron, nie posiadający ładunku, przechodzi bezpośrednio przez ograniczenie magnetyczne i depozytuje swój znacznie większy udział w wysokości 14,1 MeV energii jako ciepło w otaczającym osłonie – to właśnie to ciepło napędza turbinę. Deuter jest obfity (około 30 g na metr sześcienny wody morskiej); tryt jest radioaktywny i rzadki, dlatego elektrownie są projektowane tak, aby wytwarzać go z litu-6 w tej samej osłonie neutronowej.

²H + ³H → ⁴He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)
Total energy released: 17.6 MeV per reaction

Prześlizgiwanie się przez barierę ładunku kolistego

Oba jądra posiadają ładunek pozytywny, co powoduje ich wzajemne odpychanie elektrostatyczne. W zakresie jądrowym (~1 fm) ta bariera ładunmu wynosi około 1,4 MeV – jednakże plasma o temperaturze 100 milionów °C dostarcza jedynie jonom energii termicznej rzędu 10 keV, czyli dwa razy mniejszej niż wymagana do reakcji fuzji. Fuzja wciąż zachodzi z powodu tunelowania kwantowego: funkcja falowa jądra rozciąga się nieznacznie przez barierę, co daje małą, lecz istniejącą szansę na spontaniczne przeniknięcie przy każdym zbliżeniu. Reakcja D-T charakteryzuje się najwyższym przekrojem czynnego spośród pary paliwowej o największym zastosowaniu i zachodzi przy najniższej energii, osiągając swój szczyt około 65 millibarnów w pobliżu 100 keV – co jest dokładnie powodem, dla którego stanowi ona paliwo pierwszego pokolenia.

Kryterium Lawsona: trzy sposoby na osiągnięcie jednej liczby

Aby plazma generowała więcej energii niż kosztowało ją utrzymanie, iloczyn gęstości n, temperatury T i czasu uwięzienia energetycznego τE musi przekroczyć próg:

n · T · τE ≥ 3×10²¹ m⁻³ · keV · s (D-T, 15–20 keV) Ponieważ jest to iloczyn trzech czynników, istnieje trzy strategie: zwiększ gęstość do ekstremalnych wartości i utrzymuj ją przez nanosekundy (ukierunkowane uwięzienie), utrzymuj umiarkowaną gęstość przez sekundy (uwięzienie magnetyczne) lub podnieś temperaturę, aby zwiększyć przekrój czynny reakcji – rzeczywiste reaktory łączą wszystkie trzy do pewnego stopnia.

n · T · τE ≥ 3×10²¹ m⁻³ · keV · s     (D-T, 15–20 keV)

Tokamaki: magnetycznie zawieszone plazma

Tokamak zawiera plazmę w toroidalnym (cioścień) reaktorze, wykorzystując potężne elektromagnesy nadprzewodzące, dzięki czemu 100–200 milionów stopni Celsjusza plazma nigdy nie styka się z fizyczną ścianą. Dwa składniki pola – toroidalny (biegnący wzdłuż cięcia) i poloidalny (owijający jego przekrój poprzeczny) – łączą się w heliksalne linie pola, po których spiralują obciążenia, nie mogąc łatwo uciekać na boki. ITER, budowany we Francji od 2010 roku, jest największym dotychczas zbudowanym tokamakiem, o masie 847 ton centralnego solenoida wytwarzającego pole 13 tesli; jego cel projektowy to Q = 10, a oczekuje się eksperymentów D-T około roku 2035. Japonia's JT-60SA osiągnął pierwszy płomień w grudniu 2023 roku i obecnie jest największym działającym tokamakiem nadprzewodowym.

Współczynnik Q, zapłon i obecny stan rzeczy

Współczynnik Q to prosta definicja: energia fuzji wyjściowej podzielona przez energię cieplną wejściową. Q = 1 oznacza punkt rozliczenia naukowego; Q = ∞, nazywane zapłonem, jest punktem, w którym samo ciepło generowane przez reakcję fuzji (poprzez uwięziony hel-4) utrzymuje reakcję bez jakiegokolwiek zewnętrznego źródła ogrzewania – to ostateczny cel całej dziedziny. W grudniu 2022 roku 192 laserów Narodowego Centrum Ignicji, dostarczających 2,15 MJ do kompresji kapsuły D-T o wymiarach milimetra do 100 miliardów atmosfer, wygenerowało 3,15 MJ energii fuzji z 2,05 MJ światła laserowego – po raz pierwszy jakakolwiek eksperyment przekroczył Q = 1 w oparciu o tę podstawę, choć około 300 MJ pobranych z sieci do zasilania laserów oznacza, że cała instalacja jest nadal daleko od netto produkcji energii elektrycznej. Z kolei na stronie magnetycznego uwięzienia JET (UK) ustanowił rekord 59 MJ w ciągu pięciu sekund plazmy D-T (Q ≈ 0,67), a cel Q = 10 ITER, wraz z falą prywatnych przedsięwzięć (Commonwealth Fusion, TAE, Helion) celujących w netto produkcję energii elektrycznej w oknie czasowym 2030–2035, definiuje postęp w ciągu najbliższej dekady.

Frequently asked questions

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz the simulation i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.