Syntese og fission: hvad er forskellen?
Fusion og fission er forskellige processer til produktion af atomenergi.
Denne energi produceret af atomkraftfission, fanges inde i reaktorer og bruges til at opvarme vand til damp, som drejer en turbine og genererer elektricitet. Men denne proces skaber affald, der kan forblive radioaktivt i millioner af år. Situationen i reaktorerne i Fukushima og Tjernobyl viste, hvordan dette kunne blive.
På den anden side vil termonuklear fusion ikke føretil dannelse af langsigtet nukleart affald, og de nødvendige materialer kan genbruges inden for 100 år. Der er heller ingen fare for en ulykke, fordi processen er baseret på højtemperaturreaktioner, der stopper om få sekunder, hvis udstyret ikke fungerer korrekt. Og da disse reaktioner bruger en relativt lille mængde brændstof, er der ingen fare for at bruge dem til at producere atomvåben.
Inden for forskning i nuklear fusion er derforskere, der stræber efter et mål - at genskabe de processer, som solen selv bruger til at producere en enorm mængde energi. Enorme tyngdekræfter fælder brint fra solens atmosfære og bruger intens varme og tryk til at omdanne gassen til plasma. I det kolliderer kerner i høj hastighed, danner helium og frigiver energi.
Solens kolossale tyngdekraft er omkring 28 gange større end dem her på Jorden.Forskere har været nødt til at være kreative med hensyn til at begrænse brændstoffet til nukleare fusionsreaktioner.Den mest foretrukne tilgang i sin nuværende form er at anvende magnetfelter, som kan bruges til at holde to tunge former for hydrogen, deuterium og tritium, i en enhed kaldet en tokamak.
Tokamak - store forhåbninger
Selve ordet "tokamak" er ingentingikke betegner er blot en forkortelse, som senere blev et fuldgyldigt ord. Det bruges ikke kun i Rusland, men også i udlandet, da det var i vores land, at denne ting blev opfundet, og det var her, de aktivt udviklede sig i lang tid.
Tokamak er et ringformet kammer med magnetiske spoler. Det er alt.
Essensen af en tokamak kommer ned til at skabemagnetfelt, hvori den termonukleære fusionsreaktion vil forekomme. Da temperaturen på en sådan reaktion ikke bare er høj, men bogstaveligt talt uoverkommelig (adskillige millioner grader Celsius), kan den ikke udføres blot inde i et eller andet kammer - den vil smelte længe før driftstemperaturen er nået.
Denne temperatur opnås på grund af det faktum, atInde i tokamak er stoffet i den fjerde aggregeringstilstand, som opnås ved så høje temperaturer. Denne tilstand kaldes plasma På Jorden findes plasma i det naturlige miljø kun i lynet og nordlyset, bogstaveligt talt består alt af det - stjerner, tåger, interstellare rum.
Inde i bygningen, der vil huse verdens største tokamak-reaktor.
Den første til at foreslå brugen af termonuklearsyntese, herunder til industrielle formål, var den sovjetiske fysiker O.A. Lavrentyev. Han gjorde dette i sit arbejde i 1950. Det var med hans arbejde, at studiet af måder at bruge termonuklear fusion påbegyndte.
Et år senere, andre fysikere – A.D.Sakharov og I.E. Tamm - udviklede ideen og sagde, at den termonukleære reaktion skulle opretholdes inde i et lukket toroidformet kammer. For at skabe et magnetfelt inde i tokamak består den af sektioner med spoler viklet inde i dem. Da de løber i hele længden af kammeret og skaber noget som en lukket tunnel, kaldes det resulterende magnetfelt toroidalt. Dette er arbejdsområdet for installationen.
Inde i China Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST).
Når kammeret er fyldt, skaber detet elektrisk hvirvelfelt, der fastholder plasmaet inde i kammeret, og samtidig varmer det op, hvilket bringer det til samme temperatur på flere millioner grader.
Da marken og varmen er skabt pga. at øge strømmen i induktoren, men den kan ikke stige i det uendelige, plasmaets levetid i en stabil tilstand overstiger endnu ikke flere sekunder. Dette er hovedårsagen til, at vi endnu ikke kan bruge tokamaks som en kilde til industriel energiproduktion. Der er måder at løse dette problem på, herunder brugen af mikrobølgestråling, men indtil videre er arbejdet i denne retning stadig i gang.
Mange mennesker arbejder for at opnå dettemål, har store forhåbninger til næste generations enhed, der i øjeblikket er under konstruktion. ITER, eller International Thermonuclear Experimental Reactor, er et af de mest ambitiøse energiprojekter, menneskeheden nogensinde har påtaget sig, og involverer videnskabsmænd og ingeniører fra 35 lande. Når den står færdig i 2025, vil den være verdens største atomfusionsanordning.
Selvom de fleste af menneskehedens ambitionerinden for nuklear fusion i forbindelse med ITER er der andre spændende muligheder. Inklusiv en anden termonuklear reaktor med magnetisk indeslutning - en stellarator.
Stellator - efterligner en stjerne
Ligesom tokamaks er stjernebilleder designet tilIndeholder plasmastrømme i et lukket kammer ved hjælp af magnetiske spoler, men med nogle vigtige forskelle. I stedet for en flot, symmetrisk doughnut-form sender stellaratoren plasma ud i uregelmæssige cirkler, der spinder og spinder ved hjælp af en utrolig kompleks serie af magnetspoler. Dette virker kontraintuitivt, men det skaber faktisk større stabilitet i plasmaet på grund af forskelle i indre strøm, skriver New Atlas.
I sig selv er en stellarator en type reaktor tilimplementering af kontrolleret termonuklear fusion. Navnet kommer fra lat. stella - stjerne, indikerer ligheden af de processer, der forekommer i stellatoren og inde i stjernerne. Opfundet af den amerikanske fysiker L. Spitzer i 1950 blev den første prototype bygget under hans ledelse det følgende år som en del af det hemmelige Matterhorn-projekt.
Wendelstein 7-X (W7-X) - eksperimentelinstallation til forskning i højtemperaturplasma, der ligger i byen Greifswald i Tyskland. Dens konstruktion blev udført af Max Planck Institute for Plasma Physics fra 2005 til 2014. Formålet med anlægget er at teste den industrielle egnethed af en fusionsreaktor af stellarator-typen samt at undersøge og forbedre tekniske komponenter og teknologier inden for kontrolleret termonuklear fusion.
I sådanne fusionsreaktorerdet toroidale kammer har en kompleks, bugtet form, ligesom de magnetiske felter, der skabes omkring det. Dette usædvanlige design hjælper ifølge teorien sådanne reaktorer med at fungere i en kontinuerlig tilstand og bruger meget mindre energi end konventionelle "lige" reaktorer. tokamak-reaktorer. Derudover gør den komplekse konfiguration af magnetfeltet det muligt pålideligt at indeholde højtemperaturplasma, hvilket reducerer risikoen for dets kontakt med reaktorkammerets indre vægge. Sådanne fordele kommer dog til en pris, som ligger i kompleksiteten ved at designe og fremstille selve reaktoren.
I december 2017 afsluttede W7-X sin andenfase af eksperimenter, hvor forbedrede plasmaopvarmnings- og målesystemer blev brugt. Hovedelementet, der blev testet i anden fase, var varmefjernelsessystemet, hvis drift ikke skulle påvirke plasmaledningen. Dette værktøj består af en kæde af magneter, der danner komplekse magnetiske felter, der tvinger plasmaet til at passere tæt på 10 køleplader. Enhver afvigelse af magnetfelterne medfører en afbøjning af plasmaledningen, hvilket fører til overophedning af pladerne og til overdreven afkøling og ødelæggelse af plasmaledningen.
Arbejdet med de elektromagneter, der skaber magnetfeltet, styres af et komplekst kontrolsystem, der bruger mange tilbagemeldinger.
Da stellatorer ikke kræver så megetintern strøm og i sagens natur tilbyder større stabilitet end tokamaks, siger Hole, at de meget vel kan være bedre egnet til at drive nettet. Men dette er på betingelse af, at den utroligt komplekse infrastruktur kan bygges på en billig måde og med de samme begrænsninger, hvilket ikke er tilfældet i den nuværende form.
Inerti-retention er en radikal tilgang
Ud over den magnetiske indeslutningsregion,andre tilgange til nuklear fusion, der falder ind under den såkaldte inerti-indespærring. Inerti-kontrolleret termonuklear fusion er en af de typer termonuklear fusion, hvor termonukleært brændstof holdes af sine egne inerti-kræfter. Ideen er at opvarme termonukleært brændstof hurtigt og jævnt, så det resulterende plasma har tid til at reagere inden spredning. Ved anvendelse af dette princip vil reaktoren således være pulserende. Denne nye forskningslinje inden for nuklear fusion involverer brugen af meget nøjagtigt målrettede laser- eller ionstråler til hurtig opvarmning af en brændselspiller, der vil være sammensat af deuterium og tritium.
Ideen er, at virkningen på dissebrændselspiller som sådan en pludselig og voldsom opvarmning vil forårsage enorme kompressionskræfter, der udløser en kædereaktion gennem de lag af materiale, hvor nuklear fusion kan forekomme og frigiver enorme mængder energi. Australien-baserede HB11 Energy søger at fjerne den traditionelle deuterium- og tritiumopskrift til fordel for en ikke-radioaktiv tilgang, der inkluderer hydrogen og bor-b11.
Lille pille af brint med brintplaceret i en stor kugle og ramt af to lasere samtidigt for at udløse en fusionsreaktion, der genererer direkte elektricitet uden brug af dampturbiner.
Virksomheden hævder at undgå mange problemer,som har forfulgt atomfusion i årtier, hovedsagelig fordi den ikke forsøger at opvarme sit brændstof til sindssygt høje temperaturer. Han udsætter sine brændstofpiller for to lasere, den ene for at skabe et magnetisk indeslutningsfelt og den anden for at udløse en kædereaktion af brint- og borfusion, der skaber partikler, der igen kan generere en elektrisk strøm.
Ifølge eksperter kan denne strøm være næstendirekte til det eksisterende elsystem. Der ville ikke være behov for en dampturbinegenerator eller varmeveksler, og der ville ikke være nogen risiko for nedsmeltning. Holdet er meget optimistisk med hensyn til sin teknologi og siger, at deres eksperimenter viser reaktionshastigheder en milliard gange bedre end forudsagt og mener, at deres udviklingsplan vil være meget hurtigere og billigere end andre tilgange.
Den energi, der frigøres som et resultat af sådanreaktion, er i stand til at opvarme det omgivende brændstof, og hvis temperaturen er høj nok, kan den også starte en termonuklear reaktion. Formålet med sådanne installationer er evnen til at opnå termonuklear "forbrænding", når processen med frigivelse af varme forårsager en forbindelsesreaktion, der påvirker en betydelig del af brændstoffet. En typisk kugle med brændstof er på størrelse med et nålehoved og indeholder ca. 10 milligram brændstof. I praksis kan kun en lille del af dette brændstof bruges i en termonuklear reaktion, men hvis alt dette brændstof bruges, frigiver det energi svarende til at brænde en tønde olie.
"Dette er interessant videnskab," sagde Matthew Houle,kernefusionsekspert og forsker fra Australian National University, der kender HB11 og forskere, der arbejder på projektet på New Atlas - Men jeg vil ikke sige, at der er overbevisende beviser for, at man kan lave hurtigere skala end ITER eller toroidal magnetisk indeslutning."
Ifølge Houle er det centrale problem med en sådanfremgangsmåde er, at disse reaktioner opstår på et øjeblik. For at teknologien kan anvendes på et praktisk kraftværk, skal den udvikle sig fra kortsigtede, engangsreaktioner til noget, der producerer en konstant tilførsel af energi, såsom en brændende ild.
Z-pinch - mørk hest
Endnu et interessant eksempel på inertitilgangenindespærring til nuklear fusion er Z-knibet.
Med andre ord i stedet for at brugestore og komplekse magnetspoler til at holde plasmastrømme på plads, en tilgang, der bruger et elektromagnetisk felt, der genereres i selve plasmaet. Vi kan sige, at dette er den mørke hest i atomfusionsræset. Siden dens begyndelse i 1950'erne har pinch-effekten lovet en enklere konfiguration end tokamaks eller stellaratorer. Men ligesom disse enheder er det også udsat for ustabilitet i plasmaet, der strækker sig ud over de magnetiske feltlinjer.
Z-pinch retention system ved University of Washington
Forskere fra University of Washington er kommet op meden måde at udjævne disse ujævnheder på er ved at justere plasmahydrodynamikken. Mens en lovende løsning på energiproblemet, som HB11-lasertilgangen, står Z-pinch stadig over for store udfordringer, når det gælder levering af kontinuerlig strøm. Problemet er, at det også er impulsivt.
Hvad er bundlinjen?
ITER, toroidal magnetisk indeslutningog tokamak-design er langt det mest avancerede. Men nuklear fusionsforskere bruger forskellige tilgange, hver med sine egne fordele og ulemper. Desværre, uanset tilgangen, kræver processen stadig mere energi, end den returnerer. Men at løse disse tekniske og fysikproblemer for at producere ren energi, hvor utroligt vanskeligt det end kan være, vil være en af menneskehedens største bedrifter.
Læs mere
Det første nøjagtige kort over verden blev oprettet. Hvad er der galt med alle andre?
Infrarød stråling fra menneskelige hænder blev brugt til kryptering
Uranus har modtaget status som den mærkeligste planet i solsystemet. Hvorfor?
Torus (toroid) - er en volumetriskformen som følge af ringens rotation omkring rotationscenteret. Grove eksempler på en torus ville være en doughnut, bagel eller et cykelrør fjernet fra et hjul.