Syntéza a štěpení: jaký je rozdíl?
Fúze a štěpení jsou různé procesy výroby jaderné energie.
Tato energie vyrobená jadernou energiíštěpení, je zachycováno uvnitř reaktorů a používáno k ohřevu vody na páru, která otáčí turbínou a vyrábí elektřinu. Tento proces však vytváří odpad, který může zůstat radioaktivní po miliony let. Situace v reaktorech ve Fukušimě a v Černobylu ukázala, jak to může dopadnout.
Na druhou stranu termonukleární fúze nepovedek tvorbě dlouhodobého jaderného odpadu a potřebné materiály lze recyklovat do 100 let. Také nehrozí nebezpečí nehody, protože proces je založen na reakcích za vysokých teplot, které se zastaví během několika sekund, pokud zařízení nefunguje správně. A protože tyto reakce využívají relativně malé množství paliva, nehrozí jejich použití k výrobě jaderných zbraní.
V oblasti výzkumu jaderné fúze existujívědci, kteří usilují o jediný cíl - znovu vytvořit procesy, které samotné Slunce používá k výrobě obrovského množství energie. Obrovské gravitační síly zachycují vodík ze sluneční atmosféry a používají silné teplo a tlak k přeměně plynu na plazmu. V něm se jádra srážejí vysokou rychlostí, tvoří helium a uvolňují energii.
Kolosální gravitační síly Slunce jsou asi 28krát větší než zde na Zemi.Vědci museli být kreativní, pokud jde o omezení paliva pro jaderné fúzní reakce.Nejpreferovanějším přístupem v jeho současné podobě je použití magnetických polí, která mohou být použita k udržení dvou těžkých forem vodíku, deuteria a tritia, v zařízení zvaném tokamak.
Tokamak - velké naděje
Samotné slovo „tokamak“ není nicne označuje je jen zkratka, která se později stala plnohodnotným slovem. Používá se nejen v Rusku, ale i v zahraničí, protože právě v naší zemi byla tato věc vynalezena a zde se aktivně vyvíjela po dlouhou dobu.
Tokamak je toroidní komora s magnetickými cívkami. To je vše.
Podstata tokamaku spočívá ve vytvářenímagnetické pole, ve kterém bude probíhat termonukleární fúzní reakce. Protože teplota takové reakce není jen vysoká, ale doslova zakazující (několik milionů stupňů Celsia), nelze ji provést jednoduše uvnitř nějaké komory – roztaje se dlouho před dosažením provozní teploty.
Této teploty je dosaženo díky tomu, žeUvnitř tokamaku je látka ve čtvrtém stavu agregace, kterého je dosaženo při tak vysokých teplotách. Tento stav se nazývá plazma Na Zemi se plazma v přirozeném prostředí nachází pouze v bleskech a polárních světlech ve vesmíru, skládá se z něj doslova všechno – hvězdy, mlhoviny, mezihvězdný prostor.
Uvnitř budovy, ve které bude umístěn největší reaktor tokamaku na světě.
První, kdo navrhl použití termonukleárusyntézou, včetně průmyslových, byl sovětský fyzik O.A. Lavrentjev. Udělal to ve své práci z roku 1950. Právě s jeho prací začalo studium způsobů použití termonukleární fúze.
O rok později jiní fyzici — A.D.Sacharov a I.E. Tamm – vyvinul nápad a řekl, že termonukleární reakce by měla být udržována uvnitř uzavřené toroidní komory. Aby se uvnitř tokamaku vytvořilo magnetické pole, skládá se ze sekcí s cívkami navinutými uvnitř. Protože probíhají po celé délce komory a vytvářejí něco jako uzavřený tunel, výsledné magnetické pole se nazývá toroidní. Toto je pracovní oblast instalace.
Uvnitř China Experimental Advanced Supravodivý Tokamak (EAST).
Když je komora plná, tvořívírové elektrické pole, které udržuje plazmu uvnitř komory a zároveň ji zahřívá, čímž ji přivádí na stejnou teplotu několika milionů stupňů.
Jelikož pole a topení vzniká kvůli zvýšení proudu v induktoru, ale nemůže se zvyšovat donekonečna, životnost plazmatu ve stabilním stavu ještě nepřesahuje několik sekund. To je hlavní důvod, proč zatím nemůžeme využívat tokamaky jako zdroj průmyslové výroby energie. Existují způsoby, jak tento problém vyřešit, včetně využití mikrovlnného záření, ale zatím práce v tomto směru stále probíhají.
Mnoho lidí pracuje na dosažení tohoto cílecíle, vkládají velké naděje do zařízení nové generace, které je v současné době ve výstavbě. ITER, neboli Mezinárodní termonukleární experimentální reaktor, je jedním z nejambicióznějších energetických projektů, které lidstvo kdy podniklo, a zahrnuje vědce a inženýry z 35 zemí. Po dokončení v roce 2025 půjde o největší zařízení pro jadernou fúzi na světě.
I když většina ambicí lidstvav oblasti jaderné fúze spojené s ITER existují další vzrušující příležitosti. Včetně dalšího termonukleárního reaktoru s magnetickým omezením – stelarátoru.
Stellator - napodobující hvězdu
Stejně jako tokamaky jsou k tomu určeny stelarátoryObsahující proudy plazmy v uzavřené komoře pomocí magnetických cívek, ale s některými klíčovými rozdíly. Namísto pěkného, symetrického tvaru koblihy, stelarátor vysílá plazmu do nepravidelných kruhů, které se otáčejí a otáčejí pomocí neuvěřitelně složité řady magnetických cívek. Zdá se to neintuitivní, ale ve skutečnosti to vytváří větší stabilitu v plazmatu kvůli rozdílům ve vnitřním proudu, píše New Atlas.
Stelarátor je sám o sobě typem reaktoruprovádění řízené termonukleární fúze. Název pochází z lat. stella - star, označuje podobnost procesů probíhajících v stellarátoru a uvnitř hvězd. První prototyp, který vynalezl americký fyzik L. Spitzer v roce 1950, byl pod jeho vedením vyroben v následujícím roce jako součást tajného projektu Matterhorn.
Wendelstein 7-X (W7-X) - experimentálníinstalace pro výzkum vysokoteplotní plazmy, umístěná ve městě Greifswald v Německu. Jeho konstrukci v letech 2005 až 2014 provedl Max Planck Institute for Plasma Physics. Účelem zařízení je testovat průmyslovou vhodnost fúzního reaktoru typu stellarátoru, jakož i zkoumat a zlepšovat technické komponenty a technologie v oblasti řízené termonukleární fúze.
V takových fúzních reaktorechtoroidní komora má složitý, sinusový tvar, stejně jako magnetická pole vytvořená kolem ní. Tento neobvyklý design podle teorie pomáhá takovým reaktorům pracovat v nepřetržitém režimu, přičemž spotřebují mnohem méně energie než konvenční „rovné“ reaktory. reaktory typu tokamak. Složitá konfigurace magnetického pole navíc umožňuje spolehlivě zadržet vysokoteplotní plazma, což snižuje riziko jeho kontaktu s vnitřními stěnami komory reaktoru. Tyto výhody však přicházejí za cenu, která spočívá ve složitosti návrhu a výroby samotného reaktoru.
V prosinci 2017 dokončil W7-X svůj druhýetapa experimentů, ve kterých byly použity vylepšené systémy plazmového ohřevu a měření. Hlavním prvkem, který byl testován ve druhé fázi, byl systém odvodu tepla, jehož činnost by neměla ovlivňovat plazmový kabel. Tento nástroj se skládá z řetězce magnetů, které tvoří složitá magnetická pole, což způsobuje, že plazma prochází kolem 10 desek chladiče. Jakákoli odchylka magnetických polí má za následek vychýlení plazmové šňůry, což vede k přehřátí desek a k nadměrnému ochlazování a destrukci plazmové šňůry.
Práce elektromagnetů, které vytvářejí magnetické pole, je řízena komplexním řídicím systémem, který využívá různé zpětné vazby.
Vzhledem k tomu, že hvězdáři tolik nevyžadujívnitřní proud a ze své podstaty nabízejí větší stabilitu než tokamaky, Hole říká, že mohou být vhodnější pro napájení sítě. Je to však pod podmínkou, že neuvěřitelně složitá infrastruktura může být postavena levně a se stejnými omezeními, což v současné podobě neplatí.
Inerciální retence je radikální přístup
Kromě oblasti magnetického uvězněnídalší přístupy k jaderné fúzi, které spadají pod tzv. inerciální vězení. Inerciální řízená termonukleární fúze je jedním z typů termonukleární fúze, při které je termonukleární palivo zadržováno vlastními setrvačnými silami. Cílem je rychle a rovnoměrně ohřát termonukleární palivo, aby výsledná plazma měla čas reagovat před rozptylem. Při použití tohoto principu bude tedy reaktor pulzován. Tato nová řada výzkumu v oblasti jaderné fúze zahrnuje použití velmi přesně zaměřených laserových nebo iontových paprsků k rychlému ohřevu palivové pelety, která bude složena z deuteria a tritia.
Myšlenka je, že dopad na tytopalivové pelety, jako je náhlé a prudké zahřátí, způsobí obrovské tlakové síly, které způsobí řetězovou reakci vrstvami materiálu, ve kterých může dojít k jaderné fúzi, čímž se uvolní obrovské množství energie. Australská společnost HB11 Energy se snaží ukončit tradiční recepturu deuteria a tritia ve prospěch neradioaktivního přístupu zahrnujícího vodík a bór-b11.
Malá peleta z vodíkového boruumístěn ve velké kouli a zasažen dvěma lasery současně, aby spustil fúzní reakci, která přímo generuje elektřinu bez použití parních turbín.
Společnost tvrdí, že se vyhýbá mnoha problémům,které se po desetiletí snažily o jadernou fúzi, především proto, že se nesnaží zahřát své palivo na šíleně vysoké teploty. Své palivové pelety vystaví dvěma laserům, z nichž jeden vytváří magnetické pole a druhý spouští řetězovou reakci vodíkové a borové fúze, která vytváří částice, které mohou zase generovat elektrický proud.
Podle odborníků může být tento proud téměřpřímo do stávajícího energetického systému. Nebyl by potřeba generátor parní turbíny ani výměník tepla a nehrozilo by žádné roztavení. Tým je ohledně své technologie velmi optimistický a říká, že jeho experimenty ukazují rychlost reakce miliardkrát lepší, než se předpokládalo, a věří, že jeho plán vývoje bude mnohem rychlejší a levnější než jiné přístupy.
Energie, která se v důsledku toho uvolňujereakce, je schopen ohřát okolní palivo a pokud je teplota dostatečně vysoká, může také zahájit termonukleární reakci. Účelem takových zařízení je schopnost dosáhnout termonukleárního „spalování“, když proces uvolňování tepla způsobí spojovací reakci, která ovlivňuje významnou část paliva. Typická koule paliva má velikost špendlíkové hlavičky a obsahuje asi 10 miligramů paliva. V praxi lze v termonukleární reakci použít jen malou část tohoto paliva, ale pokud se použije toto palivo, uvolní energii ekvivalentní spálení sudu s ropou.
"To je zajímavá věda," řekl Matthew Houle,odborník na jadernou fúzi a výzkumník z Australské národní univerzity obeznámený s HB11 a výzkumníky pracujícími na projektu v New Atlas – ale já bych neřekl existují přesvědčivé důkazy, že byste mohli z něj udělat elektrárnu rychlejší rozsah než ITER nebo toroidní magnetické omezení."
Podle Houle je klíčový problém s takovýmipřístup je, že tyto reakce probíhají během mrknutí oka. Aby mohla být technologie aplikována na praktickou elektrárnu, musí se vyvinout z krátkodobých, jednorázových reakcí na něco, co produkuje stálý přísun energie, jako je hořící oheň.
Z-pinch - tmavý kůň
Další zajímavý příklad inerciálního přístupuomezení jaderné fúze je Z-pinch Ve výzkumu fúzní energie je to typ plazmového zadržovacího systému, který využívá elektrický proud v plazmě k vytvoření magnetického pole, které ji stlačí.
Jinými slovy, místo použitívelké a složité magnetické cívky k udržení proudů plazmy na místě, přístup, který využívá elektromagnetické pole, které se vytváří v samotném plazmatu. Můžeme říci, že toto je černý kůň v závodě jaderné fúze. Od svého vzniku v 50. letech minulého století sliboval pinch efekt jednodušší konfiguraci než tokamaky nebo stelarátory. Stejně jako tato zařízení ale také vystavené nestabilitě v plazmatu, které přesahuje magnetické siločáry.
Z-pinch retenční systém na University of Washington
Vědci z Washingtonské univerzity s tím přišlizpůsob, jak tyto boule vyhladit, je upravit hydrodynamiku plazmy. I když je Z-pinch slibným řešením energetického problému, jako je laserový přístup HB11, stále čelí velkým výzvám, pokud jde o poskytování trvalého výkonu. Problém je v tom, že má také impulzivní povahu.
Jaký je konečný výsledek?
ITER, toroidní magnetické omezenía tokamak design jsou zdaleka nejpokročilejší. Výzkumníci jaderné fúze však používají různé přístupy, z nichž každý má své výhody a nevýhody. Bohužel, bez ohledu na přístup, proces stále vyžaduje více energie, než se vrací. Ale vyřešení těchto inženýrských a fyzikálních problémů k výrobě čisté energie, jakkoli může být neuvěřitelně obtížné, bude jedním z největších úspěchů lidstva.
Přečtěte si více
Byla vytvořena první přesná mapa světa. Co se děje s ostatními?
K šifrování bylo použito infračervené záření z lidských rukou
Uran získal status nejpodivnější planety ve sluneční soustavě. Proč?
Torus (toroid) - je volumetrickýtvar vyplývající z rotace prstence kolem středu rotace. Drsným příkladem torusu by byl kobliha, bagel nebo trubka kola vyjmutá z kola.