Синтез и делене: каква е разликата?
Ядреният синтез и деленето са различни процеси за производство на ядрена енергия.
Тази енергия, произведена от ядрена енергияделене, се улавя в реакторите и се използва за нагряване на вода до пара, която превръща турбина и генерира електричество. Но този процес създава отпадъци, които могат да останат радиоактивни милиони години. Ситуацията в реакторите във Фукушима и Чернобил показа как може да се окаже това.
От друга страна, термоядреният синтез няма да доведедо образуването на дългосрочни ядрени отпадъци и необходимите материали могат да бъдат рециклирани в рамките на 100 години. Също така няма опасност от инцидент, тъй като процесът се основава на високотемпературни реакции, които спират за няколко секунди, ако оборудването се повреди. И тъй като тези реакции използват сравнително малко количество гориво, няма опасност те да се използват за производство на ядрено оръжие.
В областта на изследванията на ядрения синтез имаучени, които се стремят към една цел - да пресъздадат процесите, които самото Слънце използва, за да произвежда огромни количества енергия. Огромните гравитационни сили улавят водорода от слънчевата атмосфера и използват интензивна топлина и налягане, за да преобразуват газа в плазма. В него ядрата се сблъскват с висока скорост, образувайки хелий и освобождавайки енергия.
Друг ключов фактор е гравитацията.Колосалните гравитационни сили на Слънцето са приблизително 28 пъти по-големи, отколкото тук на Земята. Учените трябваше да проявят креативност в ограничаването на горивото за реакциите на ядрен синтез. Най-предпочитаният подход, както е сега, е да се използват магнитни полета, които могат да се използват за задържане на две тежки форми на водород, деутерий и тритий, в устройство, наречено токамак.
Токамак - големи надежди
Самата дума "токамак" не е нищоне означава е просто съкращение, което по-късно се превърна в пълноценна дума. Използва се не само в Русия, но и в чужбина, тъй като това нещо е изобретено в нашата страна и тук те активно се развиват дълго време.
Токамак е тороидална камера с магнитни бобини. Това е всичко.
Същността на токамака се свежда до създаванетомагнитно поле, в което ще протече реакцията на термоядрен синтез. Тъй като температурата на такава реакция е не просто висока, а буквално непосилна (няколко милиона градуса по Целзий), тя не може да се проведе просто в някаква камера - тя ще се стопи много преди да бъде достигната работната температура.
Тази температура се постига поради факта, чеВътре в токамака веществото е в четвърто агрегатно състояние, което се постига при толкова високи температури. Това състояние се нарича плазма, плазмата в естествената среда се среща само в светкавиците и северното сияние в космоса, буквално всичко се състои от нея - звезди, мъглявини, междузвездно пространство.
Вътре в сградата, в която ще се помещава най-големият в света реактор токамак.
Първият, който предложи използването на термоядренисинтез, включително за промишлени цели, е съветският физик О.А. Лаврентьев. Той направи това в своята работа от 1950 г. Именно с неговата работа започва проучването на начините за използване на термоядрен синтез.
Година по-късно други физици – A.D.Сахаров и И.Е. Тамм разработи идеята и каза, че термоядрената реакция трябва да се поддържа в затворена тороидална камера. За да се създаде магнитно поле вътре в токамака, той се състои от секции с намотки, навити вътре в тях. Тъй като те преминават по цялата дължина на камерата и създават нещо като затворен тунел, полученото магнитно поле се нарича тороидално. Това е работната зона на инсталацията.
Вътре в Китайския експериментален усъвършенстван свръхпроводящ токамак (EAST).
Когато камерата е пълна, тя създававихрово електрическо поле, което поддържа плазмата вътре в камерата и в същото време я нагрява, довеждайки я до същата температура от няколко милиона градуса.
Тъй като полето и нагряването се създават поради увеличаване на тока в индуктора, но той не може да нараства безкрайно, животът на плазмата в стабилно състояние все още не надвишава няколко секунди. Това е основната причина все още да не можем да използваме токамаците като източник за промишлено производство на енергия. Има начини за решаване на този проблем, включително използването на микровълново лъчение, но досега работата в тази посока все още е в ход.
Много хора работят, за да постигнат товацели, имат големи надежди за следващото поколение устройство, което в момента е в процес на изграждане. ITER, или Международният термоядрен експериментален реактор, е един от най-амбициозните енергийни проекти, които човечеството някога е предприемало, включващ учени и инженери от 35 страни. Когато бъде завършен през 2025 г., това ще бъде най-голямото устройство за ядрен синтез в света.
Въпреки че по-голямата част от амбициите на човечествотов областта на ядрения синтез, свързан с ITER, има и други вълнуващи възможности. Включително още един термоядрен реактор с магнитно ограничаване - стеларатор.
Stellator - имитира звезда
Подобно на токамаците, стелараторите са проектирани даСъдържащи плазмени потоци в затворена камера с използване на магнитни намотки, но с някои ключови разлики. Вместо хубава, симетрична форма на поничка, стелараторът изпраща плазма в неправилни кръгове, които се въртят и се въртят, използвайки невероятно сложна поредица от магнитни бобини. Това изглежда контраинтуитивно, но всъщност създава по-голяма стабилност в плазмата поради разликите във вътрешния ток, пише New Atlas.
Сам по себе си стелараторът е тип реактор заприлагане на контролиран термоядрен синтез. Името идва от лат. stella - звезда, показва сходството на процесите, протичащи в звездата и вътре в звездите. Изобретен от американския физик Л. Спицър през 1950 г., първият прототип е построен под негово ръководство на следващата година като част от тайния проект на Матерхорн.
Wendelstein 7-X (W7-X) - експерименталенинсталация за изследване на високотемпературна плазма, намираща се в град Грайфсвалд в Германия. Изграждането му е извършено от Института по физика на плазмата на Макс Планк от 2005 до 2014 г. Целта на съоръжението е да се тества промишлената годност на термоядрен реактор от тип стеларатор, както и да се изследват и подобрят техническите компоненти и технологии в областта на контролирания термоядрен синтез.
В такива термоядрени реакторитороидалната камера има сложна, извита форма, както и магнитните полета, създадени около нея. Този необичаен дизайн, според теорията, помага на такива реактори да работят в непрекъснат режим, изразходвайки много по-малко енергия от конвенционалните „равномерни“ реактори. реактори тип токамак. В допълнение, сложната конфигурация на магнитното поле позволява надеждно задържане на високотемпературна плазма, което намалява риска от нейния контакт с вътрешните стени на камерата на реактора. Подобни предимства обаче имат цена, която се крие в сложността на проектирането и производството на самия реактор.
През декември 2017 г. W7-X завърши втория сиетап от експерименти, в които са използвани подобрени системи за нагряване и измерване на плазмата. Основният елемент, който беше тестван на втория етап, беше системата за отвеждане на топлината, чиято работа не трябва да засяга плазмения кабел. Този инструмент се състои от верига от магнити, които образуват сложни магнитни полета, карайки плазмата да премине близо до 10 радиаторни плочи. Всяко отклонение на магнитните полета води до деформация на плазмения шнур, което води до прегряване на плочите и до прекомерно охлаждане и разрушаване на плазмения шнур.
Работата на електромагнитите, които създават магнитно поле, се контролира от сложна система за управление, която използва различни обратни връзки.
Тъй като звездистите не изискват толкова многовътрешен ток и по своята същност предлагат по-голяма стабилност от токамаците, Hole казва, че те може би са по-подходящи за захранване на мрежата. Но това е при условие, че невероятно сложната инфраструктура може да бъде изградена по евтин начин и със същите ограничения, което не е така в сегашния си вид.
Инерционното задържане е радикален подход
В допълнение към областта на магнитното задържане,други подходи за ядрен синтез, които попадат в т. нар. инерционно ограничение. Инерционно контролиран термоядрен синтез е един от видовете термоядрен синтез, при който термоядреното гориво се задържа от собствените си инерционни сили. Идеята е да се нагрее бързо и равномерно термоядреното гориво, така че получената плазма да има време да реагира преди разсейването. По този начин, когато се използва този принцип, реакторът ще бъде импулсен. Тази нова линия на изследвания в ядрения синтез включва използването на много точно насочени лазерни или йонни лъчи за бързо нагряване на горивна пелета, която ще бъде съставена от деутерий и тритий.
Идеята е, че въздействието върху тяхгоривни пелети, такова внезапно и силно нагряване ще предизвика огромни компресионни сили, които предизвикват верижна реакция през слоевете материал, в който може да възникне ядрен синтез, освобождавайки огромни количества енергия. Базираната в Австралия HB11 Energy се стреми да премахне традиционната рецепта за деутерий и тритий в полза на нерадиоактивен подход, който включва водород и бор-b11.
Малка пелета водородно-борно горивопоставен в голяма сфера и удрян от два лазера едновременно, за да предизвика реакция на синтез, която директно генерира електричество, без да се използват парни турбини
Компанията твърди, че избягва много проблеми,които преследват ядрен синтез от десетилетия, до голяма степен защото не се опитват да загреят горивото си до безумно високи температури. Той излага горивните си пелети на два лазера, единият за създаване на магнитно ограничаващо поле, а вторият за задействане на верижна реакция на синтез на водород и бор, която създава частици, които на свой ред могат да генерират електрически ток.
Според експерти този ток може да бъде почтидиректно към съществуващата енергийна система. Няма да има нужда от генератор на парна турбина или топлообменник и няма да има риск от разтопяване. Екипът е много оптимистично настроен за своята технология и казва, че нейните експерименти показват скорости на реакция милиарди пъти по-добри от прогнозираните и вярва, че нейният план за развитие ще бъде много по-бърз и по-евтин от други подходи.
Енергията, която се отделя в резултат на такавареакция, е в състояние да нагрее заобикалящото гориво и, ако температурата е достатъчно висока, може да започне и термоядрена реакция. Целта на такива инсталации е способността да се постигне термоядрено "изгаряне", когато процесът на отделяне на топлина предизвиква реакция на връзка, която засяга значителна част от горивото. Типично топче гориво е с размер на щифтова глава и съдържа около 10 милиграма гориво. На практика само малка част от това гориво може да се използва в термоядрена реакция, но ако се използва цялото това гориво, то ще отдели енергия, еквивалентна на изгаряне на барел петрол.
„Това е интересна наука“, каза Матю Хоул,експерт по ядрен синтез и изследовател от Австралийския национален университет, запознат с HB11 и изследователи, работещи по проекта в Нов атлас - Но аз не бих казал, че има убедителни доказателства, че можете да го превърнете в електроцентрала на по-бърз мащаб от ITER или тороидално магнитно ограничаване."
Според Хуле основният проблем с такиваподходи е, че тези реакции се случват в миг на око. За да може технологията да бъде приложена към практическа електроцентрала, тя трябва да се развие от краткотрайни, еднократни реакции към нещо, което произвежда постоянно снабдяване с енергия, като горящ огън.
Z-щипка - тъмен кон
Друг интересен пример за инерционния подходограничаване на ядрения синтез е Z-щипка. В изследванията на енергията на термоядрения синтез това е вид система за задържане на плазмата, която използва електрически ток в плазмата, за да създаде магнитно поле, което я компресира.
С други думи, вместо да използватеголеми и сложни магнитни намотки за задържане на плазмените потоци на място, подход, който използва електромагнитно поле, което се генерира в самата плазма. Можем да кажем, че това е тъмният кон в надпреварата за ядрен синтез. От създаването си през 50-те години на миналия век ефектът на прищипване обещава по-проста конфигурация от токамаците или стелараторите. Но подобно на тези устройства, то също обект на нестабилност в плазмата, която се простира отвъд линиите на магнитното поле.
Система за задържане на Z-щипка във Вашингтонския университет
Измислиха учени от Вашингтонския университетначин за изглаждане на тези издутини е чрез регулиране на плазмената хидродинамика. Докато обещаващо решение на енергийния проблем, като лазерния подход HB11, Z-щипът все още е изправен пред големи предизвикателства, когато става въпрос за осигуряване на непрекъсната мощност. Проблемът е, че има и импулсивен характер.
Какъв е долният ред?
ITER, тороидален магнитен затвори дизайнът на токамак са най-напредналите. Изследователите на ядрен синтез обаче използват различни подходи, всеки със своите предимства и недостатъци. За съжаление, независимо от подхода, процесът все още изисква повече енергия, отколкото връща. Но решаването на тези инженерни и физични проблеми за производство на чиста енергия, колкото и невероятно трудно да е, ще бъде едно от най-големите постижения на човечеството.
Прочетете още
Създадена е първата точна карта на света. Какво не е наред с всички останали?
За криптиране е използвано инфрачервено лъчение от човешки ръце
Уран е получил статута на най-странната планета в Слънчевата система. Защо?
Torus (тороид) - е обемнаформата, получена от въртенето на пръстена около центъра на въртене. Груби примери за торус биха били поничка, багел или велосипедна тръба, свалена от колело.