Какво е ядрен синтез?
Ядрен синтез (в случая говорим за термоядрен синтез) е реакцията
Според съвременната астрофизичнаПредставите, основният източник на енергия на Слънцето и други звезди е термоядреният синтез, протичащ в техните дълбини. При земни условия се извършва с експлозия на водородна бомба. Термоядреният синтез е придружен от колосално освобождаване на енергия на единица маса реагиращи вещества (около 10 милиона пъти повече, отколкото при химични реакции). Следователно е от голям интерес да се овладее този процес и на негова основа да се създаде евтин и екологичен източник на енергия. Въпреки това, въпреки факта, че големи научни и технически екипи в много развити страни се занимават с изследвания за контролиран термоядрен синтез (CTF), все още има много сложни проблеми, които трябва да бъдат решени преди индустриалното производство на термоядрена енергия да стане реалност.
Съвременни атомни електроцентрали, използващи процесадивизии, само частично задоволяват световните нужди от електроенергия. Горивото за тях са естествените радиоактивни елементи уран и торий, чието изобилие и запаси в природата са много ограничени; следователно много страни са изправени пред проблема с вноса им. Основният компонент на термоядреното гориво е водородният изотоп деутерий, който се съдържа в морската вода. Неговите резерви са публично достъпни и много големи (Световният океан покрива ~71% от площта на земната повърхност, а деутерият представлява около 0,016% от общия брой водородни атоми, изграждащи водата).
В допълнение към наличността на гориво, термоядрените енергийни източници имат следните важни предимства пред ядрените централи:
- реакторът CTS съдържа много по-малко радиоактивни материали от реактора за ядрено делене и следователно последиците от случайно изпускане на радиоактивни продукти са по-малко опасни;
- термоядрените реакции генерират по-малко дълготрайни радиоактивни отпадъци;
- TCB позволява директно производство на електроенергия.
Успешното изпълнение на реакцията на сливане зависи от свойствата на използваните атомни ядра и възможността за получаване на плътна високотемпературна плазма, която е необходима за започване на реакцията.
Как се отделя енергия по време на синтез?
Освобождаването на енергия по време на ядрен синтез се дължи наизключително интензивни сили на привличане, действащи вътре в ядрото; тези сили държат заедно протоните и неутроните, които изграждат ядрото. Те са много интензивни и се разпадат изключително бързо с разстояние. В допълнение към тези сили, положително заредените протони създават електростатични отблъскващи сили. Радиусът на действие на електростатичните сили е много по-голям от този на ядрените сили, така че те започват да преобладават, когато ядрата се отделят една от друга.
При нормални условия кинетичната енергия на ядраталеките атоми са твърде малки, за да преодолеят електростатичното отблъскване, те биха могли да се приближат и да влязат в ядрена реакция. Отблъскването обаче може да бъде преодоляно чрез "груба" сила, например чрез сблъскване на ядра с висока относителна скорост.
Защо учените правят ядрен синтез?
Изследователи, разработващи термоядрениреактор, който може да генерира повече енергия, отколкото консумира, показа в поредица от неотдавнашни работи, че техните проекти трябва да работят, възстановявайки оптимизма, че този чист, неограничен източник на енергия ще помогне за облекчаване на климатичната криза.
Група изследователи от МасачузетсТехнологичният институт (MIT) и други институти декларират, че компактният термоядрен реактор SPARC ще работи в действителност. Поне на теория, както твърдят в поредица от наскоро публикувани изследвания.
Екипът посочва, че по време на етапите на планиране брне бяха открити неочаквани пречки или изненади. Това се посочва в седем статии, написани от 47 изследователи от 12 различни научни институции.
Въпреки че новият реактор все още се строиВ ранните си етапи на развитие учените се надяват, че може да започне да произвежда електричество до края на десетилетието. Мартин Грийнуолд, един от старшите учени на проекта, каза пред The Guardian, че ключова мотивация за амбициозния график е да се посрещнат енергийните нужди в затоплящ се климат. „Ядреният синтез изглежда е едно от възможните решения за излизане от задаващата се климатична катастрофа“, каза той.
Какъв е проблемът с термоядрения синтез и как може да помогне на планетата?
Ядрен синтез, физически процес, койтозахранването на нашето слънце се случва, когато атомите се сблъскат заедно при изключително високи температури и налягания, което ги кара да освобождават огромни количества енергия чрез сливане с по-тежки атоми.
Тъй като е открито за първи пътПрез миналия век учените се опитаха да използват ядрения синтез, изключително плътна форма на енергия, чието гориво - водородни изотопи - е в изобилие и се попълва. Освен това ядреният синтез не произвежда парникови газове или въглерод и, за разлика от реакторите за ядрено делене, не носи риск от разтопяване.
Използването на тази форма на ядрена енергия обачесе оказа изключително трудно, защото изискваше нагряване на "супата от субатомни частици" - плазма - до стотици милиони градуси - твърде гореща, за да може да се справи с който и да е контейнер. За да заобиколят това, учените са разработили камера с форма на поничка със силно магнитно поле, преминаващо през нея, наречена токамак, която държи плазмата на място.
Какво вече се разработва?
Масачузетски технологичен институти дъщерното дружество Commonwealth Fusion Systems започнаха проектирането на нов реактор, по-компактен от предшествениците си, още в началото на 2018 г., като строителството трябва да започне през първата половина на следващата година. Ако графикът им върви по план, реактор, наречен Sparc, може да произвежда електричество за мрежата до 2030 г., според изследователи и служители на компанията. Това ще бъде много по-бързо от съществуващите големи инициативи за термоядрена енергия.
Настоящите проекти на реактори са твърде големии пътища за действително генериране на електроенергия за потребителите. Използвайки авангардни, ултра-силни магнити, екипът на MIT и Commonwealth Fusion се надява да създаде компактен, ефективен и мащабируем токамак реактор. „Това, което наистина направихме, е да комбинираме съществуващата наука с нов материал, за да отворим огромни нови възможности“, каза Грийнуолд.
След като демонстрира, че устройството Sparcтеоретично биха могли да произведат повече енергия, отколкото е необходима за експлоатация, в изследователски статии, публикувани през септември, следващата стъпка е да се изгради реактор и след това пилотна централа, която да генерира електричество в мрежата.
Всички плюсове и минуси на ядрения синтез
Учените и предприемачите отдавна обещават товатермоядреният синтез е точно зад ъгъла, но се сблъсква с непреодолими проблеми. Това доведе до нежелание да се инвестира в него, особено след като вятърът, слънчевата енергия и други възобновяеми енергийни източници, макар и по-малко мощни от термоядрения синтез, станаха по-ефективни и рентабилни.
Но ситуацията се променя.В плана на Байдън за 2 трилиона долара той нарече напредналите ядрени технологии част от стратегията за декарбонизация. Демократите подкрепят ядрената енергетика за първи път от 1972 г. насам. Значителни инвестиции идват и от частни източници, включително някои големи петролни и газови компании, които виждат термоядрения синтез като по-добра дългосрочна опора от вятъра и слънцето.
Според Боб Мумгаард, изпълнителен директорДиректор на Commonwealth Fusion, целта не е термоядреният синтез да замени слънчевата и вятърната енергия, а да ги допълни. „Има неща, които ще бъдат трудни за правене само с възобновяема енергия в промишлен мащаб, като захранване на големи градове или производство“, каза той. „Това е мястото, където синтезът може да бъде полезен.“
Общността на плазмата като цяло е ентусиазирана от напредъка на Sparc, въпреки че някои поставят под въпрос амбициозния график, даден на техническите и регулаторните пречки.
Даниел Джесби, 25 години научни изследваниясътрудник в Лабораторията по физика на плазмата в Принстън е скептичен дали реактор за термоядрен синтез като SPARC някога може да се превърне във възможен алтернативен източник на енергия. Тритий, един от изотопите на водорода, който Sparc ще използва като гориво, не се среща в природата и трябва да се произвежда, каза той.
Технологичен екип на МасачузетсИнститутът приема, че това вещество ще се регенерира непрекъснато от самата реакция на синтез. Но Джесби вярва, че това ще изисква огромно количество електричество, което прави реактора прекалено скъп. „Когато смятате, че получаваме слънчева и вятърна енергия безплатно, би било глупаво да разчитаме на реакцията на синтез“, заключава той.
Прочетете още
Изследвания: хората няма да могат да контролират свръхинтелигентни машини с изкуствен интелект
Аборт и наука: какво ще се случи с децата, които ще раждат
Вижте най-красивите снимки на Хъбъл. Какво е видял телескопът за 30 години?