Proč je potřeba termonukleární energie?
Aby se zabránilo zvýšení globální teploty o více než 1,5
Co kdyby existovalo jedno energetické řešení, které by dokázalo vyřešit všechny tyto naléhavé problémy? I když to zní fantasticky, existuje.
Jedna z nejsilnějších forem energiednes používáme jadernou energii. Přestože je moderní jaderná energie extrémně účinná a produkuje nulové emise uhlíku, má mnoho nevýhod a je vážná: potenciální jaderné taveniny a radioaktivní odpad, které zůstávají nebezpečné po tisíce let.
Ale existuje lepší způsob.
Co je termonukleární fúze a jak ji lze aplikovat na Zemi?
Všechny současné jaderné reaktory pracují spomocí jaderného štěpení, procesu štěpení atomů za účelem výroby energie. Vědci si už roky kladou otázku, jak můžeme využít reverzní proces - jadernou fúzi, která „pohání“ slunce spojením atomů dohromady - k uspokojení rostoucích energetických potřeb na Zemi. Samotná termonukleární fúze je velmi silný proces, několikrát silnější než štěpení, a nevede ke vzniku jaderného odpadu, protože jeho palivem není uran nebo plutonium, ale vodík. Ve skutečnosti, pokud bude vývoj termonukleárního reaktoru úspěšný, vědci vytvoří na Zemi „mini-slunce“.
„Dosažení řízených termonukleárních reakcí,které spotřebovávají více energie, než je zapotřebí k jejich výrobě, a jsou komerčně považovány za potenciální reakci na změnu klimatu, “vysvětluje vědecký korespondent Nathaniel Gronevold pro Scientific American. „Fúzní energie eliminuje potřebu fosilních paliv a vyřeší problémy s diskontinuitou a spolehlivostí, které jsou vlastní obnovitelným zdrojům. Energie bude vyráběna bez nebezpečného množství záření, které vyvolává obavy z energie štěpení jaderných zbraní. “
Úředníci mezinárodního termonukleáruExperimental Reactor (ITER), nadnárodní projekt se sídlem na jihu Francie, oznámil, že nyní jsou jen 6,5 roku od First Plasma, historického milníku. Podle tiskové zprávy z tohoto týdne je projekt ITER podporovaný konsorciem 35 zemí v současné době dokončen na 65%. Nově instalovaná část - základna kryostatu a spodní válec - připravuje cestu pro instalaci tokamaku, technologické struktury zvolené pro umístění silného magnetického pole, které by obklopovalo fúzní jádro velmi horké plazmy.
Problémy s jadernou syntézou
Jaderná fúze je tak obtížná kvůliextrémní podmínky - například v jádru Slunce - které je třeba reprodukovat zde na Zemi. Jak je vysvětleno v americkém ministerstvu energetiky, „termonukleární reakce jsou studovány vědci, ale je obtížné je udržovat po dlouhou dobu kvůli enormnímu tlaku a teplotě potřebné k fúzi jader“.
Energie z jaderné syntézy vyžaduje omezenívelmi horké plazma pod vysokým tlakem. Magnetické omezení velmi horké – mnohokrát teplejší než střed Slunce – plazmy vyžaduje silná magnetická pole. Musí být 10krát vyšší než atmosférický tlak na povrchu Země. Síla magnetického pole je kritickým parametrem pro dosažení těchto podmínek, protože poskytuje jak izolaci udržující plazmu horké, tak vnější tlak, aby byla stabilní – to vše bez fyzického kontaktu mezi plazmatem a povrchem materiálu.
I když jaderná fúze produkujeneuvěřitelné vyhlídky na vyřešení některých z nejobtížnějších problémů moderního světa, čas tiká a mnozí odborníci tvrdí, že i když je fúze hned za rohem, čas není na naší straně. I když se očekává, že ITER bude spuštěn do roku 2025 a plně funkční kolem roku 2035, může být příliš pozdě. V roce 2019 odborníci na klima tvrdili, že 12letá lhůta, kterou mezivládní panel dal světu na zvrácení měnící se situace planety, bude možná muset být zkrácena na 18 měsíců. Hans Joachim Schellnhuber z Potsdam Climate Institute to před rokem vysvětlil takto: „Klimatická matematika je křišťálově jasná: i když svět nemusí být v příštích několika letech uzdraven, může být smrtelně zraněn z nedbalosti před rokem 2020.“
Tento týden se však naděje na čistou energii znovu vzbudily.
Projekt SPARC
Vědci vyvíjejí kompaktní verziV řadě výzkumných prací bylo prokázáno, že reaktor pro jadernou fúzi funguje, což oživuje naděje, že lze dosáhnout dlouho nepolapitelného cíle napodobovat produkci sluneční energie a nakonec přispět k boji proti změně klimatu.
Centrum pro výzkum plazmy a termonukleárníMIT ve spolupráci se soukromým startupem Commonwealth Fusion Systems (CFS) vyvíjí koncepční projekt SPARC. Jedná se o kompaktní experiment vysokého napětí s čistou termonukleární energií. Očekává se, že SPARC bude mít velikost stávajících fúzních zařízení středního rozsahu, ale s mnohem silnějším magnetickým polem. Na základě fyzikálních zákonů vědci doufají, že zařízení bude produkovat 50-100 MW termonukleární energie. Takový experiment bude první ukázkou vytvoření čisté energie a možnosti vytvoření zařízení postaveného pomocí nové supravodivé technologie. SPARC je součástí celkové strategie pro urychlení vývoje fúze pomocí nových vysokoteplotních vysokoteplotních supravodivých magnetů (HTSC).
Fúzní elektrárna Sparc bude relativně malá, jak ukazuje tento obrázek reakční komory.
T. Henderson / CFS / MIT-PSFC
Čas výstavby
Očekává se, že stavba reaktoru podNázev SPARC, který vyvíjejí vědci z Massachusetts Institute of Technology a dceřiné společnosti Commonwealth Fusion Systems, začne na jaře příštího roku a bude trvat tři nebo čtyři roky, uvedli vědci a představitelé společnosti.
Ačkoli stále existuje mnoho vážných problémů,společnost uvedla, že po výstavbě budou následovat zkoušky a pokud bude úspěšná, začne v příštím desetiletí elektrárna, která by mohla využívat fúzní energii k výrobě elektřiny.
Tento ambiciózní plán je mnohem rychlejší nežnejvětší světový projekt energie z jaderné syntézy, nadnárodní projekt na jihu Francie s názvem ITER. Tento reaktor je ve výstavbě od roku 2013, a přestože není určen k výrobě elektřiny, očekává se, že do roku 2035 bude produkovat fúzní reakce.
Bob Mumgaard, generální ředitel společenstvíFusion a jeden ze zakladatelů společnosti uvedl, že cílem projektu SPARC je vyvinout termonukleární fúzi včas, aby mohla hrát roli při zmírňování dopadů globálního oteplování. "Zaměřujeme se na co nejrychlejší získání termonukleární energie," řekl.
Termonukleární fúze, ve které jsou lehké atomyspojení při teplotách desítek milionů stupňů za účelem uvolnění energie se pro svět stalo způsobem, jak se vyrovnat s dopady výroby elektřiny na změnu klimatu.
Stejně jako konvenční jaderná štěpná elektrárna, která štěpí atomy, nebude fúzní elektrárna spalovat fosilní paliva a nebude produkovat emise skleníkových plynů.
Kritika projektu
Přes ambice projektu stojí v cestě překážkyvytvoření stroje schopného vytvářet termonukleární plazmu a manipulovat s vířícím se super horkým mrakem atomů, který poškozuje nebo ničí vše, čeho se dotkne, je obrovské.
Někteří vědci, kteří pracují na termonukleární energii po celá desetiletí, říkají, že i když jsou nadšeni Sparcovými vyhlídkami, časová osa může být jednoduše nereálná.
"Čtení těchto dokumentů (výzkumné práce- Cca. ed.) mi dává pocit, že vývojáři budou mít řízenou termonukleární termonukleární plazmu, o které všichni sníme, “řekl Carey Forest, fyzik z University of Wisconsin, který se projektu nezúčastňuje. Není si však jistý, zda je časová osa projektu realistická.
Podle Dr. Mumgaarda bude SPARC hodněmenší než ITER - velikost tenisového kurtu ve srovnání s fotbalovým hřištěm - a mnohem levnější než mezinárodní projekt, který bude podle oficiálních odhadů stát asi 22 miliard dolarů, ale toto číslo není limit. Společnost Commonwealth Fusion, která byla založena v roce 2018 a má přibližně 100 zaměstnanců, dosud získala pro svůj projekt 200 milionů dolarů.
Rozdíly mezi Sparc a ITER
Protože začaly téměř před stoletímfúzních experimentů, vyhlídka na vytvoření praktického fúzního zařízení, které dokáže vyrobit více energie, než spotřebuje, zůstala v nedohlednu.
Podle zjištění vědců v The Journal of Plasma Physics ale projekt SPARC uspěje a vyrobí 10krát více energie, než spotřebuje.
Výzkum „potvrzuje, že projekt jeten, pro který pracujeme, pravděpodobně bude fungovat, “uvedl Martin Greenwald, zástupce ředitele Centra pro výzkum a fúzi plazmatu MIT a jeden z hlavních vědců projektu. Dr. Greenwald je zakladatelem Commonwealth Fusion, ale v současné době není se společností spojen.
SPARC používá stejný typ zařízení jakoITER: Tokamak neboli komora ve tvaru koblihu, ve které probíhá fúzní reakce. Protože plazmový mrak je tak horký - žhavější než Slunce - musí být zadržován magnetickými silami.
ITER to dělá pomocí obrovských elektromagnetických cívek obsahujících supravodivé dráty, které musí být chlazeny kapalným heliem.
Model fúzního reaktoru ITER (průřez)
CC BY-SA 2.0 fr
Podle Greenwalda používá SPARCvýhody nové elektromagnetické technologie, která využívá takzvané vysokoteplotní supravodiče, které mohou vytvářet mnohem silnější magnetické pole. Výsledkem je, že plazma je mnohem menší.
Dokumenty ukazují, že „tato cesta s vysokoupole stále vypadá životaschopně, “řekl doktor Greenwald. „Pokud dokážeme překonat technické výzvy, bude tento stroj fungovat tak, jak předpovídáme.“
Společnost Commonwealth Fusion uvedla, že ohlásí místo pobytu SPARC za několik měsíců.
Kdo další pracuje na termonukleární energii a existuje nějaká naděje?
Commonwealth Fusion je jen jedním z mnohaspolečnosti zabývající se vývojem a komercializací energie z jaderné syntézy ve spolupráci s výzkumnými institucemi, podporované investicí stovek milionů dolarů.
Například společnost TAE Technologies, založenáv jižní Kalifornii pracuje na návrhu, který využívá lineární zařízení, které na sebe vystřelí dva oblaky plazmy a vytvoří jadernou fúzi.
First Light Fusion, dceřiná společnost University of Oxford v Anglii, využívá energii ke stlačování a stlačování termonukleárního paliva.
Dr Forest řekl:Použitím silnějších magnetických polí lze říci, že SPARC je více „konzervativní“. “Tím se zcela odlišuje od všech startupů, které jsou z definice více riskantní,“ zdůrazňuje.
William Dorland, fyzik na univerzitě v Marylandu a USAredaktor časopisu The Journal of Plasma Physics uvedl, že časopis požádal zástupce některých z těchto projektů fúze, aby „hovořili o jejich fyzických základech“. Skupina MIT a Commonwealth Fusion se rychle dohodly, řekl.
"Z mého pohledu je to první z těchto skupin,"který má soukromé peníze, což je ve skutečnosti velmi jasné, co dělají, “řekl Dr. Dorland. - Rozumní lidé nesouhlasí s tím, zda to funguje. Jsem ale jen rád, že přistoupili a řekli nám pomocí normální vědy, co se děje, “uzavírá.
Nakonec jaké důsledky očekávatvývoj fúzního reaktoru? Pokud budou technologické procesy odladěny a řízeny, zachrání to lidstvo. Čistá energie z fúze atomů místo štěpení ochrání planetu alespoň před jaderným odpadem.
Jaký je konečný výsledek?
Přes všechna nebezpečí a složitost projektů narozvoj termonukleární fúze, nezdá se, že by lidstvo mělo nějaké alternativy. Schopnosti planety jsou na rozdíl od lidských potřeb omezené. Zda SPARC, ITER nebo jakýkoli startup splní své sliby, ukáže čas.
Přečtěte si také
Vědec vytvořil barvu, která může nahradit drahé solární panely
Mise CHEOPS našla planetu s nejdrsnějšími podmínkami ve vesmíru. hlavní věc
Astronomové objevili měsíční urychlovač z 60. let. Míří na Zemi