Қазақстан Республикасының білім және ғылым министірлігі Е. А букетов атыңдағы Қарағанды универитеті
жүктеу/скачать 1,89 Mb.
|
Курсовой Алмат-1 (1) (1)
|
Қазақстан Республикасының білім және ғылым министірлігі Е.А Букетов атыңдағы Қарағанды универитеті Физика-техникалық факультет Жылуфизика кафедрасы Курстық жұмыс Тақырыбы: Басқарылатын Термоядролық синтез Орындаған: 2 курс студенті: Мухамедрахим А.Р. Қабылдаған: Сатыбалдин А.Ж. Қарағанды2023 Мазмұны: Кіріспе...........................................................................................................3 Термоядролық реакциялар басқарылмайтын және басқарылатын......................................................................................................4 Тоқамақ......................................................................................................7 Ядролық реакциялар басқарылмайтын және басқарылатын......................................................................................................12 ТОКАМАК JET жаңа дейтерий-тритий науқанын бастайды...............14 5.Курчатовта «Токамак ITER» құрылысын бастау үшін жаңа жобалар………………………………………………………………………...17 5.Қорытынды.................................................................................................20 Пайдаланған әдебиеттер...............................................................................21 Кіріспе: Термоядролық реакция, термоядролық синтез - миллиондаған градус температурада жүзеге асатын ядролық бірігу реакциясы деп аталады. Токамак - жоғары температуралы плазманы жасауға және ұстап тұруға арналған тура қалпындағы тұйық магнитті қармауыш. Плазманы ұстап қалу үшін магнит өрісін қолданатын басқа қондырғыларға қарағанда, электр тогын қолдану токамактың басты ерекшелігі болып табылады. Ядролық ректорда ядролық реакциялар басқарылатын жолмен іске асырылады. Ал атомдық бомбаларда басқарылмайтын жолмен іске асырылады. Ең бірінші қолдан басқарылатын реактор 1942 жылы2 желтоқсанда АҚШтың Чикаго қаласында Фермидің басшылығымен іске қосылды. Екінші реактор 1945 жылы КСРОда Москва түбіндегі Серпухов қаласында И.В.Курчатовтың басшылығымен салынды. Термоядролық реакциялар басқарылмайтын және басқарылатын Қолдан басқарылатын термоядролық реакцияларды іске асыру зор қиындықтарға кезікті. Оларды жүзеге асыру үшін, негізінен, үш мәселені шешу керек. Басқарылмайтын термоядролық реакция-күн, Жұлдыздар, сутегі бомбасының жарылуы кезінде. Басқарылатын термоядролық реакция – плазманы қолдану арқылы. Әзірге құрылмаған. Плазма - ішінара немесе толығымен иондалған газ. Температурасы жүздеген миллион градус болатын ыстық плазмадағы ядролар аса үлкен жылдамдықпен бір-біріне жақындап, ядролық күштердің әрекет аймағына енеді. Сол сәтте-ақ тегеурінді ядролық күш оларды біріктіріп, жаңа ядроны түзеді. Бұл кезде пайда болған m масса ақауы есебінен аса мол энергия босап шығады [1]. Термоядролық реакциялар Термоядролық реакция, термоядролық синтез - миллиондаған градус температурада жүзеге асатын ядролық бірігу реакциясы деп аталады. Жеңіл элементтерді (сутек, гелий, литий, т. б.) жүздеген миллион градусқа дейін қыздырғанда, олардың бейтарап атомдары тұтастығын жойып, ядролар мен электрондарға ыдырайды. Нәтижесінде оң зарядты ядролардан, теріс зарядты электрондардан тұратын ерекше орта — . Мұндай плазмада ядролар кулондық тебіліс бөгетін (барьерін) жеңе алатын кинетикалық энергияға ие болады: (1) мұндағы
Т—плазманың температурасы; m және v — бөлшектің массасы мен жылдамдығы. Температурасы жүздеген миллион градус болатын ыстық плазмадағы ядролар аса үлкен жылдамдықпен бір-біріне жақындап, ядролық күштердің әрекет аймағына енеді. Сол сәтте-ақ тегеурінді ядролық күш оларды біріктіріп, жаңа ядроны түзеді. Бұл кезде пайда болған m масса ақауы есебінен аса мол энергия босап шығады. Жер бетінде алғаш рет термоядролық реакциялар 1950 жылдардың басында Қазақстанда (Семей полигоны) сутек бомбасын жару арқылы жүзеге асырылды. Қажетті жоғары температура атом бомбасын алдын ала жару үстінде алынды. Термоядролық бомбаның ішіне жоғары температура алу үшін атом бомбасының заряды және жеткілікті мөлшерде сутек изотоптары (мысалы, дейтерий) орналастырылады. Термоядролық жарылыста әуелі атом бомбасының заряды іске қосылады да, температура миллиондаған градусқа көтеріліп, сутек изотоптарының ядролары жаппай біріге бастайды. Осылайша әп-сәтте атом бомбасының жарылысы сутек бомбасының жарылысына ұласады. Қолдан басқарылатын термоядролық реакцияларды іске асыру зор қиындықтарға кезікті. Оларды жүзеге асыру үшін, негізінен, үш мәселені шешу керек. Біріншіден, сутек газын қыздыру арқылы ыстық плазманың температурасын ондаған миллион градусқа көтеру қажет. Екіншіден, термоядролық реакцияны тұтандыру үшін ыстық плазманы суытпай, белгілі бір көлемде кем дегенде 10-1-10~2 с ұстап тұру қажет [2]. Үшіншіден, термоядролық реакция қарқынды жүріп, энергия шығыны қажетінше мол болуы үшін ыстық плазмадағы дейтерий ядроларының тығыздығы белгілі бір шамадан кем болмауы тиіс, яғни 1 м3 көлемде 1022 бөлшек болуы керек. Осы үш шарт қатарынан орындалса ғана басқарылатын термоядролық реакцияны іске асыруға болады. Алайда плазма заттың ең орнықсыз күйі болып табылады, сондықтан бұл шарттарды бір мезгілде орындау мәселесі әлі күнге шешуін таппай отыр. Басқарылмайтын термоядролық реакция-күн, Жұлдыздар, сутегі бомбасының жарылуы кезінде. Басқарылатын термоядролық реакция – плазманы қолдану арқылы. Әзірге құрылмаған. Плазма - ішінара немесе толығымен иондалған газ. Ядролық ыдырау реакцияларын іс жүзінде қолдану басқарылатын реакция пайда болған ядролық реакторды іске қосудан басталды. Тек үш жылдан кейін ядролық жарылысты – ядролық ыдыраудың күшті басқарылмайтын реакциясын жүргізу мүмкіндігі пайда болды. Ядролық синтез реакциясының дамуы мүлдем басқаша болды (және болып жатыр).Алғашқы басқарылмайтын термоядролық реакция-сутегі бомбасының жарылуы 1952 жылы жасалды. Бірақ термоядролық синтездің басқарылатын реакциясы, нәтижесінде энергия бөлінетін болады, осы уақытқа дейін жүзеге асырыла алмады. Басқарылатын термоядролық реакцияларды жүзеге асыру адамзатқа жаңа экологиялық таза және іс жүзінде таусылмайтын энергия көзін береді. 1. Тоқамақ Токамак - жоғары температуралы плазманы жасауға және ұстап тұруға арналған тура қалпындағы тұйық магнитті қармауыш. Плазманы ұстап қалу үшін магнит өрісін қолданатын басқа қондырғыларға қарағанда, электр тогын қолдану токамактың басты ерекшелігі болып табылады. Плазмадағы ток плазманың жылытуын қамтамасыз етеді және вакуумдық камерадағы плазмалық шнурдың тепе-теңдігін ұстайды. Токамак бұл тороидальды вакуумдық камера, яғни тороидальды магнит өрісін өндіру үшін оған катушкалар оралған. Вакумды камерадан алдымен ауаны сорып алады, кейін дейтерий және тритий қоспасымен толтырады. Содан соң камерадағы индуктор көмегімен құйын тәрізді электр өрісін тудырады. Индуктор үлкен трансформатордың бірінші орамы болады да, ал токамактың камерасы оның екінші орамы болып табылады. Электр өрісі ток ағынын және плазманың жануын тудырады. Плазма арқылы өтетін ток екі міндет атқарады: Плазманы басқа өткізгіштер сияқты қыздырады (омический нагрев); Айналасында магнит өрісін тудырады. A токамак (/ˈтoʊкəмæк/; Орыс: Токамак) - қуатты пайдаланатын құрылғы магнит өрісі шектеу плазма а түрінде торус. Токамак - бірнеше түрдің бірі магниттік қамау басқарылатын өндіріске арналған құрылғылар термоядролық термоядролық қуат. 2020 жылғы жағдай бойынша, бұл практикалық жетекші үміткер термоядролық реактор. Тоқамақтар алғашқы кезде 1950 жылдары кеңестік физиктермен тұжырымдалған Игорь Тамм және Андрей Сахаров, хатынан рухтандырылған Олег Лаврентьев. Бірінші жұмыс токамак жұмысына жатқызылды Натан Явлинский 1958 жылы Т-1-де. Көрсетілгендей, а плазмадағы тұрақты тепе-теңдік талап етеді магнит өрісінің сызықтары а-да торустың айналасындағы жел спираль. Ұқсас құрылғылар z-шымшу және жұлдыз бұған әрекет жасады, бірақ тұрақсыздықты көрсетті. Бұл қазіргі уақытта деп аталатын тұжырымдаманың дамуы болды қауіпсіздік факторы (белгіленген q математикалық жазуда) токамак жасауды басшылыққа алған; реакторды осынау шешуші фактор етіп орналастыру арқылы q әрқашан 1-ден үлкен болды, токамактар бұрынғы дизайндарда орын алған тұрақсыздықты қатты басады. 1960 жылдардың ортасына қарай токамак конструкциялары айтарлықтай жақсартылған өнімділікті көрсете бастады. Алғашқы нәтижелер 1965 жылы шығарылды, бірақ еленбеді; Лайман Спитцер температураны өлшеу жүйесінде болуы мүмкін проблемаларды ескергеннен кейін оларды жұмыстан шығарды. Нәтижелердің екінші жинағы 1968 жылы жарық көрді, бұл жолы басқа машиналардан әлдеқайда озық жұмыс талап етілді. Оларды сцептический кездестірген кезде, Кеңес делегациясын шақырды Біріккен Корольдігі өз өлшемдерін жасау. Бұлар кеңестік нәтижелерді растады, ал 1969 жылы жарық көргенде токамак конструкциясы басылған. 1970 жылдардың ортасына қарай бүкіл әлемде ондаған токамак қолданыла бастады. 70-ші жылдардың аяғында бұл машиналар бір уақытта немесе бір реакторда болмаса да, практикалық балқытуға қажетті барлық жағдайларға жетті. Зиянды бұзу мақсатымен (а біріктіру энергиясының коэффициенті 1-ге тең) қазірдің өзінде термоядролық отынмен жұмыс жасайтын машиналардың жаңа сериясы жасалды дейтерий және тритий. Бұл машиналар, атап айтқанда Бірлескен Еуропалық Торус (JET), Токамакты балқытуға арналған реактор (TFTR) және JT-60, нақты шығынға қол жеткізудің нақты мақсаты болған. Керісінше, бұл машиналар олардың жұмысын шектейтін жаңа проблемаларды көрсетті. Оларды шешу үшін кез-келген елдің мүмкіндігіне қарағанда әлдеқайда үлкен және қымбат машиналар қажет болады. Арасындағы бастапқы келісімнен кейін Рональд Рейган және Михаил Горбачев қараша айында 1985 ж Халықаралық термоядролық эксперименттік реактор (ITER) күш пайда болды және практикалық синтездеу қуатын дамытудың негізгі халықаралық күші болып қала береді. Көптеген кішігірім құрылымдар және бұтақтар сияқты сфералық токамак, өнімділік параметрлерін және басқа мәселелерді зерттеу үшін пайдалануды жалғастырыңыз. 2020 жылғы жағдай бойынша, JET 24 МВт кіріс жылыту қуаты үшін 16 МВт қуатқа жетіп, синтездеу шығысы бойынша рекордшы болып қала береді. Токамак - тороидальды вакуумдық камера, оған тороидальды магнит өрісін жасау үшін катушкалар оралған. Вакуумдық камерадан алдымен ауа сорылады, содан кейін оны дейтерий мен тритий қоспасымен толтырады. Содан кейін камерадағы индуктордың көмегімен құйынды электр өрісі жасалады. Индуктор-бұл үлкен трансформатордың бастапқы орамасы, онда ТОКАМАК камерасы екінші реттік орам болып табылады. Электр өрісі ток ағынын және плазма камерасында тұтануды тудырады. Плазма арқылы өтетін ток екі тапсырманы орындайды: плазманы кез-келген басқа өткізгіш қыздыратындай қыздырады (омикалық қыздыру); айналасында магнит өрісін жасайды. Бұл магнит өрісі полоид деп аталады (яғни сфералық координаттар жүйесінің полюстерінен өтетін сызықтар бойымен бағытталған). Магнит өрісі плазма арқылы өтетін токты қысады. Нәтижесінде конфигурация пайда болады, онда бұрандалы магниттік күш сызықтары плазмалық сымды "орайды". Бұл жағдайда тороидальды бағытта айналу қадамы полоидальды бағыттағы қадамға сәйкес келмейді. Магниттік сызықтар ашық емес, олар тороидальды пішіннің "магниттік беттерін" құра отырып, тордың айналасында шексіз бірнеше рет айналады. Мұндай жүйеде плазманы тұрақты ұстап тұру үшін полоид өрісінің болуы қажет. Ол индуктордағы токтың ұлғаюы нәтижесінде пайда болғандықтан және ол шексіз бола алмайтындықтан, классикалық токамакта плазманың тұрақты өмір сүру уақыты әлі бірнеше секундпен шектелген. Бұл шектеуді жеңу үшін токты сақтаудың қосымша әдістері жасалды. Ол үшін жеделдетілген бейтарап дейтерий немесе тритий атомдарының плазмасына инъекцияны немесе микротолқынды сәулеленуді қолдануға болады. Тороидальды катушкалардан басқа, плазмалық сымды басқару үшін полоидальды өрістің қосымша катушкалары қажет. Олар ТОКАМАК камерасының тік осінің айналасындағы айналмалы бұрылыстар. Тек токтың ағып кетуіне байланысты қыздыру плазманы термоядролық реакцияны жүзеге асыру үшін қажетті температураға дейін қыздыру үшін жеткіліксіз. Қосымша қыздыру үшін резонанстық жиіліктер деп аталатын микротолқынды сәулелену қолданылады (мысалы, электрондардың немесе иондардың циклотрондық жиілігіне сәйкес келеді) немесе жылдам бейтарап атомдардың инъекциясы.[3] Әлемде барлығы 300-ге жуық Тоқамақ салынды. Олардың ішіндегі ең ірілері төменде келтірілген. КСРО және Ресей Т - 3-бірінші функционалды құрылғы.[433 күннің көзі көрсетілмеген]. 1968 жылы бұл термоядролық реактор плазманы 11,6 миллион градусқа дейін қыздырды. Т — 4-т-3-тің кеңейтілген нұсқасы.[көзі көрсетілмеген 433 күн] Т-7-әлемде алғаш рет 1979 жылы сұйық гелиймен салқындатылған ниобий-қалайы қорытпасынан (интерметаллид) өткізгіштері бар өте өткізгіш соленоидті салыстырмалы түрде үлкен магниттік жүйе іске асырылған бірегей қондырғы. Т-7-нің негізгі міндеті орындалды: термоядролық энергияның өте өткізгіш соленоидтарының келесі буыны үшін перспектива дайындалды. Т — 10 және PLT-бұл әлемдік термоядролық зерттеулердегі келесі қадам, олар бірдей мөлшерде, бірдей қуатта, бірдей ұстап тұру факторы бар. Алынған нәтижелер бірдей: екі реакторда да термоядролық синтез температурасына қол жеткізілді, ал Лоусон өлшемі бойынша артта қалу — 200 есе. Т-15-индукциясы 3,6 Т өрісті беретін өте өткізгіш соленоидті реактор. 1988 жылы іске қосылды, 1995 жылы эксперименттер тоқтатылды, 2012 жылдан бастап жаңғырту жұмыстары жүргізілді, 2021 жылғы 18 мамырда Т-15 МД модификациясында іске қосылды. Т-11м-ТРИНИТИДЕ орналасқан (Троицк, Мәскеу); орнату параметрлері: плазмадағы ток 0,1 МА, плазма температурасы 400,600 эВ Глобус-М-Ресейдегі ең жаңа токамак. 1999 жылы А.Ф. Иоффе.[14] Қазақстан Қазақстандық материалтану токамагы (КТМ) — ITER-ге және болашақ энергетикалық термоядролық реакторларға жақын энергетикалық жүктемелер режимдерінде материалдарды зерттеу мен сынауға арналған эксперименттік термоядролық қондырғы. Құрылыс орны-Курчатов қаласы. Қытай EAST-Аньхой провинциясының Хэфэй қаласында орналасқан. 1994 жылы HT-7 эксперименттік термоядролық реакторы іске қосылды. EAST реакторы бірінші болып плазманы 100 миллион градусқа қыздыру белгісіне жетті. Еуропа TM1 — MH (1977 жылдан — кастор, 2007 жылдан-Golem). 1960 жылдардың басынан 1976 жылға дейін Курчатов институтында жұмыс істеді, содан кейін Чехословакия ғылым академиясының плазма физикасы институтына берілді. JET (Joint European Torus) — Ұлыбританияда Еуратом құрған ұйым. Ол аралас жылытуды қолданды: 20 МВт — бейтарап инъекция, 32 МВт — иондық циклотронды резонанс. Лоусон өлшемі тұтану деңгейінен 4-5 есе төмен. Tore Supra-өткізгіш катушкалары бар токамак. Кадараш зерттеу орталығында (Франция) орналасқан. FTU (Frascati Tokamak Upgrade) — күшті магнит өрісі бар орташа өлшемді металл токамак. Ол Италияның Фраскати зерттеу орталығында орналасқан. Еуропалық ядролық энергия агенттігіне (ENEA) тиесілі. Орнату параметрлері келесідей: BT<8T, R = 0,935 м, a = 0,3 м, Ip < 1,5 MA. Франция 1988 жылы Провансадағы Буш-дю-Рон Кадараштағы ядролық зерттеулер орталығында West[en] токамак (бұрын Tore Supra деп аталған) іске қосылды. Tore Supra 1988 жылдан 2010 жылға дейін жұмыс істеді. 2021 жылы ең ұзақ реакция 6,5 жылы West реакторында орнатылған 2003 минутты құрайды. АҚШ TFTR (Test Fusion Tokamak Reactor) — жылдам бейтарап бөлшектермен қосымша қызуы бар АҚШ-тағы ең үлкен токамак (Принстон Университеті). Лоусон өлшемі тұтану шегінен 5,5 есе төмен. 1997 жылы жабылды. NSTX (National Spherical Torus Experiment) — қазіргі уақытта Принстон университетінде жұмыс істейтін сферомак (сфералық токамак). Реактордағы алғашқы плазма 1999 жылы, TFTR жабылғаннан екі жыл өткен соң алынды. NSTX-U NSTX негізінде салынған, жаңарту құны 94 миллион долларды құрайды. Қазіргі уақытта қондырғы 1 тесла магниттік индукциясы және 10-12 мегаватт жылу қуаты бар әлемдегі ең қуатты сфералық ТОКАМАК болып табылады [15]. Alcator C-Mod-әлемдегі ең жоғары магнит өрісі мен плазмалық қысыммен сипатталады. 1993 жылдан бастап жұмыс істейді. DIII-D-Сан-Диегодағы General Atomic компаниясында құрылған және жұмыс істейді. Жапония JT-60-ядролық зерттеулер институтында 1985 жылдан бері жұмыс істейді.[4] 2. Ядролық реакциялар. Басқарылатын және басқарылмайтын түрлері Ядролық реакция – бұл ядроның құрамы мен құрылымының өзгеруімен және қайталама бөлшектердің немесе γ-кванттардың бөлінуімен қоса жүретін атом ядросының басқа ядромен немесе элементарлық бөлшектермен өзара әрекеттесу процесі. Табиғи жағдайларда ядролық реакциялар нәтижесінде жер бетінде жоқ жаңа радиоактивті изотоптар пайда болуы мүмкін. Бірінші ядролық реакция 1919 жылы ядролардың ыдырау өнімдерінен протондарды табу бойынша тәжірибелерде Э. Резерфордпен жүзеге асырылды. Ядролық реакциялар кезінде атомдар тез зарядталған бөлшектермен (протондар, нейтрондар, α-бөлшектер, иондар) бомбалануы мүмкін. Алайда, ядролардың нейтрондармен өзара әрекеттесуі кезінде өтетін реакциялар практикалық пайдалану үшін ең қызықты болып табылады. Нейтрондар зарядсыз болғандықтан, олар атом ядроларына кедергісіз еніп, олардың басқа түрге түрленуін тудыруы мүмкін. Көрнекті итальяндық физик Э. Ферми нейтрондар тудыратын реакцияларды зерттей бастады. Ол ядролық түрленулер жылдам ғана емес, сонымен қатар жылу жылдамдығымен қозғалатын баяу нейтрондармен де туындайтынын анықтады. Ядролық реакциялар энергетикалық түрленумен қатар жүреді. Ядролық реакциялар энергияны бөлумен немесе жұтумен өтуі мүмкін. Ядролық реакцияның оң энергетикалық шығуы үшін бастапқы өнімдердің ядроларындағы нуклон байланысының үлестік энергиясы түпкілікті өнімдердің ядроларындағы нуклон байланысының үлестік энергиясынан аз болуы тиіс. Ядролық энергияны туындату тәсілдерінің бірі-ауыр ядролардың бөлінуі. α - немесе β-бөлшектердің шығаруымен қатар жүретін ядролардың радиоактивті ыдыраудан айырмашылығы, бөліну реакциясы бұл -тұрақсыз ядроның екі ірі фрагментке бөліну процессі. Ядроларды бөлу дегеніміз- ядроны нейтрондармен атқылау арқылы ірі жарықшақтарға ажыратуды айтады. Ядролық ыдырату- ядролардың өздігінен бөлінуі. Ол табиғи процесс. Айырмашылықтары: табиғи процессс белгілі бір заңдылыққа бағынады, ал бөліну бұл заңдылықтарға бағынбайды. Ядро бөлінгенде нәтижесінде нейтрон босап шығады. Ядро ыдырағанда нәтижесінде нейтрон босап шықпайды. 1938ж неміс ғалымдары О.Ган мен Ф. Штрассман тәжірибе жүзінде уран ядросын нейтрондармен атқылап бөлінетіндігін дәлелдеді. Уранды нейтрондармен бомбалаған кезде периодтық жүйенің ортаңғы бөлігінің элементтері – барий (Z = 56), криптон (Z = 36) және т. б. радиоактивті изотоптары пайда болады. Уран-235 ядросының бөліну өнімдері барий, ксенон, стронция, рубидия және т.б. изотоптары болуы мүмкін. 1 г уранның құрамындағы барлық ядроларды толық бөлу кезінде 3 т көмір немесе 2,5 т мұнай жанған кездегі сияқты энергия бөлінеді. Жалпы ядролар ауыр және жеңіл болып бөлінеді. Ауыр ядроларға – уран, плутоний т.б. , жеңіл ядроларға сутегі гелий т.б. жатады. Бөліну барысында қозған ядро ірі жарықшақтармен қатар қосымша 2 немесе 3 нейтрон шығарады. Бұл нейтрондар ядролардың бөліну реакциясын жалғастырады. Нәтижесінде тізбекті реакция пайда болады. Тізбекті реакция дегеніміз туынды нейтрондардың қатысуымен ядролардың бөлінуі жүзеге асатын процесс, яғни ядролардың тасқынды жарылуы. Мысалы Уран ядросын нейтронмен атқылағанда екі ірі жарықшақ (басқа екі ядро) және 2 немесе 3 нейтрон пайда болады.Пайда болған нейтрондарды туынды нейтрон деп атайды. Олар әрі қарай уран ядросмен соқтығысып тағы да екі ірі жарықшаққа және нейтрондарға ыдырайды. Сөйтіп ядролардың бөлінуі жалғасатын реакция тізбекті реакция деп аталады. Тізбекті реакция арқылы атом энергиясын өндіруге болады. Атом энергиясын өндірудің екі жолы бар: 1) Ауыр элементтердің ядроларын бөлу арқылы 2) Жеңіл элементтердің ядроларын біріктіру арқылы Өйткені ауыр ядродағы энергия тек оны бөлгенде ғана босайды. Ал жеңіл ядролардағы энергия тек оларды бір ядроға біріктіргенде ғана босайды. Осы реакциялар яғни ауыр ядроны бөлу немесе жеңіл ядроны біріктіру арнайы қондырғыларда жүзеге асады. Ондай қондырғыларды ядролық (атомдық) реактор немесе атомдық бомбалар деп атайды. Ядролық ректорда ядролық реакциялар басқарылатын жолмен іске асырылады. Ал атомдық бомбаларда басқарылмайтын жолмен іске асырылады. Ең бірінші қолдан басқарылатын реактор 1942 жылы2 желтоқсанда АҚШтың Чикаго қаласында Фермидің басшылығымен іске қосылды. Екінші реактор 1945 жылы КСРОда Москва түбіндегі Серпухов қаласында И.В.Курчатовтың басшылығымен салынды.[5] Токамак JET жаңа дейтерий-тритий науқанын бастайды Әлемдегі ең үлкен ТОКАМАК JET 18 айлық дайындық пен жөндеуден кейін келесі жылы дейтерий-тритий плазмасымен ұшыруды, яғни нақты термоядролық ұшыруды бастау мақсатында жұмысты қалпына келтіреді. Мұндай эксперименттер 90-шы жылдардың ортасынан бастап токамактарда жүргізілмеген және жинақталған жаңа идеяларды эксперименталды түрде тексеретін уақыт келді. Дәл осы жерде 1997 жылы Jet — те магниттік тұзақтар үшін термоядролық реакция бойынша рекорд орнатылды-шамамен 100 миллисекунд ішінде 16 мегаватт. Содан кейін ұзақтығы плазманың сыртқы қызуына жауап беретін бейтарап инъекция жүйесінің жұмыс уақытымен шектелді. Бүгін, осы шектеулер әлдеқайда тегіс болып табылады, сондықтан жоспарлары бар продержать 16-мегаваттное жануы ішінде ~5 секунд. Тағы да, ұзағырақ болмайды, өйткені вакуумдық камера құрылымын термоядролық нейтрондармен жалпы сәулелендірудің белгілі бір шегі бар. 1997 жылмен салыстырғанда маңызды өзгеріс реакторды толығымен металл қаптамаға ауыстыру болды-көміртекті пластик пен графит элементтері жоғалып кетті. Соңғылары бір кездері плазманың жоғары атомдық материалдармен ластануын азайтуға және термоядролық температураға жету жолында "радиациялық тосқауыл" деп аталатын өтуге көмектесті. Алайда, уақыт өте келе, жұмыс тұрғысынан металл қабырға әлі де жақсы екендігі белгілі болды-шаң аз, тритийдің құрылымында "кептеліп қалудан" аз. Мұның бәрі әсіресе диверторға қатысты-термоядролық реакция аймағынан жылу мен ластануды кетіру үшін плазманы "ағызу" элементі. Тритийдің перспективалы (жоспарланған және ITER) толық металл қабырғасымен өзара әрекеттесуінен басқа, DT қоспасынан мұздатылған фрагменттерді ататын арнайы зеңбіректердің көмегімен ELM тұрақсыздығын басу шешімдері және плазманың мінез-құлқы туралы токамачниктердің көптеген идеялары тексеріледі. "№2 — DTE-2 эксперименттік DT науқаны " барысында тарихта тұңғыш рет таза тритийде плазмалық эксперименттер жоспарлануда. Тритийдің масса/заряд қатынасы дейтерийден бір жарым есе көп болғандықтан, осы қатынасқа сезімтал көптеген құбылыстарда модельдеу мен экспериментті салыстыруға болады. Жоспарларға сәйкес, алдағы бірнеше айда машинаны іске қосу және реттеу, содан кейін дейтерийдегі физикалық эксперименттердің шамамен 5 айлық калибрлеу сериясы болады. Ұлыбританияның атомдық қадағалауымен шамамен 1 айлық тексеруден кейін барлық жүйелердің тритиймен жұмыс істеуге дайындығы 3 айлық физикалық тт бағдарламасын бастайды. Одан кейін қосымша қауіпсіздік жаттығулары, тағы бір қабылдау және соңында төрт айлық DTE-2 болады. Бұл эксперименттік бағдарламаға ұзақ және күрделі кіру тритийдің ыңғайсыздығымен де, термоядролық реакциядан туындаған радиоактивтілікпен де байланысты. Тритий-кез-келген сутегі, өрт қаупі және өте радиоактивті газ сияқты Ұшпа. Онымен жұмыс істеу үшін барлық жабдықты герметикалық қолғап қораптарына орнату керек, құбырларды герметикалық екінші қабықпен қоршау керек, ғимарат қысымды төмендету жүйесімен жабдықталуы керек (сыртқа ағып кету ықтималдығын азайту үшін) және оттегінің азаюы (тритий жағдайында түнгі қорқыныш болатын өрттің алдын алу үшін). Всего на площадке может находится не больше 20 грамм трития, хранимого в виде гидрида(трейтида?) урана, и выдаваемого в систему нагревов. Но сожжено во всех экспериментах будет всего порядка 1 миллиграмма. Такая большая разница между “складом” и потребностями объясняется тем, что при проходе через плазму сгорает очень небольшая доля трития, а остальное, к сожалению загрязняется дейтерием и протием, после чего смесь надо отправлять на разделение изотопов — а этой системы на площадке JET нет. Мұндағы екінші маңызды инженерлік міндет (және болашақта — ITER) іске қосылған дизайнмен жұмыс болады. DTE-2 соңында вакуумдық камераның ортасындағы радиациялық фон 80 мЗв/сағ (сағатына 8 рентген) жетеді, сондықтан ішінде жұмыс істеу үшін телебасқарылатын робототехника қолданылады. Дайындық барысында олар плиткаларды ауыстыруға, жаңаларын орнатуға, әртүрлі датчиктерді орнатуға және т. б. Соңында, тағы бір "сәнді" идеяны атап өту керек — сұйық литий қабырғалары, олар нейтрондар мен плазманың деструктивті әсеріне дейін камераның қаптамасының беріктігі бойынша көптеген инженерлік мәселелерді шешеді: JET-те мұндай қабырға мен дейтерий-тритий плазмасының өзара әрекеттесуі алғаш рет тексеріледі. Менің ойымша, ұқсас бағдарламалар бір жағынан ITER-де толыққанды дейтерий-тритий науқанын бастау үшін маңызды, ал екінші жағынан DT реакциясымен жұмыс істеудің керемет қиындықтарын атап көрсетеді. Термоядролық энергетика өркениет үшін "құтқарушы сабан" болмаған жағдайда, DT реакторларына ставка күту қиын. [7] Курчатовта «Токамак ITER» құрылысын бастау үшін жаңа жобалар Былтыр Курчатов қаласында Қазақстандық «Токамак ҚТМ-нің» (Токамак – тороидальная камера с магнитными катушками) алғашқы бөлігі іске қосылды. Бұл жоба өткен жылы елорда төрінде өткен халықаралық ЭКСПО-2017 көрмесі аясында Елбасы Нұрсұлтан Назарбаевтың бастамасымен жүзеге асқан ерекше жоба ретінде көрменің басты экспонаттарының біріне айналды. Міне, көрмеге келушілердің зор қызығушылығын тудырған термоядролық энергия өндіретін осы Токамактың қалған бөліктері 2025 жылға дейін толығымен іске қосылады деп күтілуде. Жуырда осы мақсатта еліміздің Ұлттық ядролық орталығы термоядролық энергетика саласы бойынша маманданған халықаралық ITER ұйымымен келісімшартқа отырды. Енді Курчатовта «Токамак ITER» құрылысын бастау үшін көптеген жаңа жобалар ашылмақ. Елбасы Н.Назарбаевтың арнайы тапсырмасымен «Қазақстандық термоядролық материалтану реакторы Токамакты құруға ғылыми-техникалық қолдау (Токамак ҚТМ)» атты бағдарламаны жүзеге асыру мақсатында термоядролық реакторды жасау үшін қазақстандық ғалымдар 15 жылдан бері тынымсыз еңбек етіп, нәтижесі халықаралық деңгейде белгілі болды. 2010 жылы 5 қыркүйекте «Токамак ҚТМ-нің» алғашқы жобасы іске қосылды. Онда алғаш рет қуаты 25 кА болатын «плазма» алынды. Осы орайда Курчатов қаласындағы Ұлттық ядролық орталықтың бас директоры Ерлан Батырбеков: «Бұл ірі жобаны жүзеге асыру жұмыстары Қазақстан Ұлттық ядролық орталығында 2003 жылдан бері жүргізіліп келе жатыр. Бұл Токамакқа әлемдегі ядролық ғылыми қауымдастық мүшелері тарапынан үлкен қызығушылық бар. Болашақта осы жобаны бірнеше ел бірігіп пайдаланбақ. Олардың барлығы да өздерінде термоядролық энергетиканы дамытуды көздейтін мемлекеттер. Егер Жапония, Франция, Ресей сияқты ғылымы дамыған елдер Қазақстанға келіп, тәжірибе жинақтап жатса, қалай мақтанбасқа?! Ал бұл Елбасы Нұрсұлтан Назарбаевтың тың жобасы аясында нәтижелі жүзеге асып жатыр», дейді. – Осы орайда жалпы ғылымда термоядролық энергетиканы қандай мақсатта дамытады? Дамыған мемлекеттер неге бұл жобаға құштарлық танытады деген заңды сұрақ туады – деп жалғады сөзін Ерлан Батырбеков, – жер шарында көмір мен уран қоры шектеулі. Сондықтан біз болашағымызды ерте бастан қамтуымыз қажет. Көмір, уранды пайдалану кезінде, ауаға таралатын улы газдар, түрлі қоспалар табиғатты бұзып, ауаны ластайды. Осыны болдырмас үшін, біз термоядролық энергетика саласын дамытуды қолға алдық. Жыл сайын тек Қазақстанда емес, бүкіл дүние жүзінде де электр энергиясына деген сұраныс күннен-күнге артуда. Бұл сұраныстың арту төркінін түсіну қиынға соқпайды, яғни жаңа технологиялар көбейген сайын қуат көзін көп қажет ететіні белгілі ғой. Үйіңізде немесе жұмыс орныңыздағы компьютер, тоңазытқыш, ауа баптағыш секілді түрлі жаңа технологиялар, медициналық құрал-жабдықтар тек электр энергиясының қуаты арқылы жұмыс істейді. Оған шетелде әлдеқашан қолданысқа енген электр энергиясынан қуат алатын көліктерді қосыңыз. Қазіргі таңда қарапайым тәсілмен өндірілетін электр энергиясы солардың барлығына бірдей жете бермейді. Міне, осы кезде термоядролық энергия көмекке келеді. Термоядролық энергия көзі өндіретін қуат қазіргі электр энергиясы беретін қуаттан миллион есе күшті! Сол себепті термоядро көптеген мемлекеттердің қызығушылығын туғызды. Осы ретте қазақстандық «Токамак ҚТМ» – термоядролық қуат көзін өндіру бағытындағы айтулы жаңалық. Мұны әлем ғалымдары да мойындап отыр. Ғалымның айтуынша, басқармалы термоядролық синтез – қуат көзінің таусылмас қайнары. Ол сутегі изотоптары арқылы іске қосылады, ураннан 100 есе, ал көмір қуатынан 10 млн есе күшті. Ең бастысы – қоршаған ортаға еш зияны жоқ, нағыз қалдықсыз жасыл технология. Токамактағы материалтану реакторының негізі – термоядролық реакция, ғылыми тілде термоядролық синтез деп аталады. Ол миллиондаған градус температурада жүзеге асатын ядролық бірігу реакциясын білдіреді. «Токамак ҚТМ» – энергиямен үздіксіз қамтамасыз ететін термоядролық синтез. Токамакты тіпті жердегі жасанды күн көзі деуге де әбден болады. Бұл үлкен жобаның ресейлік, жапониялық ғалымдармен бірлесе жасап жатқан бөлімдері де бар екенін айта кету керек. 2012 жылы ТМД елдерінің АТОМ-ТМД комиссиясы болашақ тероядролық реакторлардың вакуумды камера және ішкі камералық бөліктерін іске қосуға болатындығын анықтады. Содан бері алыс-жақын шетелден жобаға қызығушылық танытқан термоядролық қоғамдастықтар әріптестік орнатуға асыққан. Нәтижесінде еліміз әлемдегі ең ірі ғылыми орталықтармен, атап айтқанда, Ресейдің Курчатов институты, италиялық INEA, испаниялық CIEMAT, жапониялық JAEA және тағы басқа елдермен меморандумға қол қойды. «Бізге болашақта «Токамак ҚТМ-ны» қолданушылардың халықаралық коалициясын құру жөнінде ұсыныс түсті. Ал орталықтың халықаралық ITER ұйымымен жасалған термоядролық энергетика келісімшарты аясында жаңа токамактар салу құрылысы қолға алынбақ. Бірақ олардың Курчатовтағы алғашқы материалтану «Токамак ҚТМ-нан» айырмашылығы жер мен көктей. Өйткені оның маңызы, әлеуеті дүние жүзі бойынша өте күшті термоядролық қабілетке ие. Токамак – адамзат игілігі үшін қолға алынған жоба. Оның бейбіт атомды насихаттауда маңызы зор. 2016 жылы жоба құрылысын жүзеге асыруға бюджеттен бөлінген қаражат жұмыстың тоқтап қалмай, сәтті аяқталуына мүмкіндік берді. Жобаның аяқталуы, іске қосылуы Астанада ашылған ЭКСПО-2017 көрмесіне тұспа-тұс келіп ел мәртебесін тағы бір асқақтатты. Бұл ауқымды істің бастауында Елбасы Н.Назарбаевтың тұрғанын ерекше атап өткім келеді», деді Е.Батырбеков. Ғалымның ойынша, Токамактың екінші бөлімін іске қосу үшін физикалық тұрғыда ғалымдарға кемі екі жыл керек. Себебі ол өте күрделі жүйе. Негізі материалтану реакторынан тұратындықтан, оны жеңіл-желпі қоса салу мүмкін емес. Оны бағыттап, қатты күшке салмау – бәрі қазақ ғалымдарының біліктілігі мен білімділігіне, ептілігіне байланысты. Ұлттық ядролық орталықтың атом энергиясы қауіпсіздігін сақтау шаралары термоядролық синтезге де байланысты жоғары дәрежеде сақталады. Қазақстандық ғалымдардың ҚТМ-дегі қауіпсіздікті жоғары дәрежеде қамтамасыз еткенін әлем мойындап отырған көрінеді. ҰЯО директоры Е.Батырбековтің айтуынша, тіпті Жапония елі ғалымдарының тарапынан «Фукусима-1» аралында орын алған апаттың салдарын іздестіріп, шығар жолын қарастыруға ұсыныс түскен. Қазіргі уақытта Ұлттық ядролық орталық жаңа термоядролық реакторларды жасау үшін құрылымдық материалдарды зерттеу және оларды сынақтан өткізу мақсатында жұмыс істеуде. Сондай-ақ «Токамак ҚТМ-да» түрлі ыстыққа төтеп беретін материалдарды шаршысына 20 МВт жылу қуатымен сынақтан өткізу жоспарлануда. Ал ҚТМ кешенінде жас зерттеушілер мен ғалымдар инженерлік және түпкілікті ғылыми жұмыстарын жүргізуге мүмкіндігі бар. Соның нәтижесінде жақын болашақта адамзатты экологиялық таза, үзіліссіз, қуаты мол энергия көзімен қамту көзделіп отыр. Осы орайда ғалымның энергияның болашағы – басқарылымы бар термоядролық энергия көзі деген пікірімен келіспеске амалың жоқ.[6] Қорытынды Қазір термоядролық реакцияларды іске асырудың жалғыз мүмкіндігі реакцияға қатысатын ядролардың қоспасының температурасын, реакциялар іске асуға қажет жүздеген миллион Кельвинге дейін көтеру болып есептеледі. Мұндай температуралар кезінде кезкелген зат толық иондалған плазма күйіне көшеді. Сондықтан, термоядролық реакцияны іске асыру мәселесі ұзақ сақталатын жоғары температуралы плазма алудың технологиялық мәселесіне тіреледі. Плазманың көлем бірлігінде бірлік уақыт ішінде өтетін бірігу реакциясының саны формуласымен беріледі. na мен nb көлем бірлігіндегі реакцияға қатысатын ядролардың саны, - бірігу реакциясының ықтималдылығы. Ол реакцияның әсерлік қимасының бөлшектердің жылдамдығына көбейтіндісінің жылдамдық бойынша орташаланған мәніне тең. Басқарылатын термоядролық реакцияларда бөлініп шығатын энергия плазманы қыздыру мен ұстауға жұмсалатын энергиядан артық, ең болмағанда оған тең болуы тиіс. Термоядролық реакциялар өту үшін 3 шарт орындалуы керек: плазма қажет температураға дейін қыздырылған болу керек, плазманың тығыздығы жеткілікті жоғары болуы керек және жоғары температура мен тығыздық плазмада жеткілікті уақыт сақталуы тиіс. Плазманы ұстап қалу үшін магнит өрісін қолданатын басқа қондырғыларға қарағанда, электр тогын қолдану токамактың басты ерекшелігі болып табылады. Пайдаланылған әдебиеттер Орысша-қазақша түсіндірме сөздік: Физика / Жалпы редакциясын басқарған э.ғ.д,, профессор Е. Арын – Павлодар: С. Торайғыров атындағы Павлодар мемлекеттік университеті, 2006. ISBN 9965-808-88-0 Қазақ энциклопедиясы, 10 - том Шпольский Э.В., Атомная физика, т. 2, 4 изд., М., 1974. Орысша-қазақша түсіндірме сөздік: Физика / Жалпы редакциясын басқарған э.ғ.д,, профессор Е. Арын – Павлодар: С. Торайғыров атындағы Павлодар мемлекеттік университеті, 2006. ISBN 9965-808-88-0 Физика және астрономия: Жалпы білім беретін мектептің 9-сыныбына арналған оқулық. Өңд., толыкт. 2-бас. / Р. Башарұлы, Д. Қазақбаева, У. Токбергенова, Н. Бекбасар. - Алматы: "Мектеп" баспасы, 2009. — 240 бет. ISBN 9965-36-700-0 Егемен Қазақстан газеті журналист: Р.Нұғыманбек Хабр(Научно-Иследовательский сайт)Научная статья термоядерный реактор эксперемент JET жүктеу/скачать 1,89 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|