Σύνθεση και σχάση: ποια είναι η διαφορά;
Η σύντηξη και η σχάση είναι διαφορετικές διαδικασίες για την παραγωγή πυρηνικής ενέργειας.
Αυτή η ενέργεια παράγεται από πυρηνικάσχάση, συλλαμβάνεται μέσα στους αντιδραστήρες και χρησιμοποιείται για τη θέρμανση του νερού στον ατμό, ο οποίος μετατρέπει έναν στρόβιλο και παράγει ηλεκτρισμό. Αλλά αυτή η διαδικασία δημιουργεί απόβλητα που μπορούν να παραμείνουν ραδιενεργά για εκατομμύρια χρόνια. Η κατάσταση στους αντιδραστήρες στο Φουκουσίμα και στο Τσερνομπίλ έδειξε πώς θα μπορούσε να αποδειχθεί αυτό.
Από την άλλη πλευρά, η θερμοπυρηνική σύντηξη δεν θα οδηγήσειστη δημιουργία μακροπρόθεσμων πυρηνικών αποβλήτων, και τα απαραίτητα υλικά μπορούν να ανακυκλωθούν εντός 100 ετών. Δεν υπάρχει επίσης κίνδυνος ατυχήματος, επειδή η διαδικασία βασίζεται σε αντιδράσεις υψηλής θερμοκρασίας που σταματούν σε λίγα δευτερόλεπτα εάν ο εξοπλισμός δυσλειτουργεί. Και επειδή αυτές οι αντιδράσεις χρησιμοποιούν σχετικά μικρή ποσότητα καυσίμου, δεν υπάρχει κίνδυνος να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή πυρηνικών όπλων.
Στον τομέα της έρευνας για την πυρηνική σύντηξη, υπάρχουνεπιστήμονες που αγωνίζονται για έναν στόχο - να αναδημιουργήσουν τις διαδικασίες που ο ίδιος ο Ήλιος χρησιμοποιεί για να παράγει τεράστια ποσότητα ενέργειας. Τεράστιες βαρυτικές δυνάμεις παγιδεύουν υδρογόνο από την ατμόσφαιρα του ήλιου και χρησιμοποιούν έντονη θερμότητα και πίεση για να μετατρέψουν το αέριο σε πλάσμα. Σε αυτό, οι πυρήνες συγκρούονται με υψηλή ταχύτητα, σχηματίζοντας ήλιο και απελευθερώνοντας ενέργεια.
Ένας άλλος βασικός παράγοντας είναι η βαρύτητα.Οι κολοσσιαίες βαρυτικές δυνάμεις του Ήλιου είναι περίπου 28 φορές μεγαλύτερες από ό,τι εδώ στη Γη. Οι επιστήμονες έπρεπε να γίνουν δημιουργικοί στον περιορισμό του καυσίμου για τις αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης. Η πιο προτιμώμενη προσέγγιση ως έχει τώρα είναι η χρήση μαγνητικών πεδίων, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να συγκρατήσουν δύο βαριές μορφές υδρογόνου, το δευτέριο και το τρίτιο, σε μια συσκευή που ονομάζεται tokamak.
Tokamak - υψηλές ελπίδες
Η ίδια η λέξη "tokamak" δεν είναι τίποταδεν δηλώνει είναι απλώς μια συντομογραφία, η οποία αργότερα έγινε πλήρης λέξη. Χρησιμοποιείται όχι μόνο στη Ρωσία, αλλά και στο εξωτερικό, καθώς στη χώρα μας εφευρέθηκε αυτό το πράγμα και ήταν εδώ που αναπτύχθηκαν ενεργά για μεγάλο χρονικό διάστημα.
Το Tokamak είναι ένας σπειροειδής θάλαμος με μαγνητικά πηνία. Αυτό είναι όλο.
Η ουσία ενός tokamak καταλήγει στη δημιουργίαμαγνητικό πεδίο στο οποίο θα συμβεί η αντίδραση θερμοπυρηνικής σύντηξης. Δεδομένου ότι η θερμοκρασία μιας τέτοιας αντίδρασης δεν είναι απλώς υψηλή, αλλά κυριολεκτικά απαγορευτική (μερικά εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου), δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί απλώς μέσα σε κάποιο είδος θαλάμου - θα λιώσει πολύ πριν φτάσει η θερμοκρασία λειτουργίας.
Η θερμοκρασία αυτή επιτυγχάνεται λόγω του ότιΜέσα στο tokamak, η ουσία βρίσκεται στην τέταρτη κατάσταση συσσωμάτωσης, η οποία επιτυγχάνεται σε τόσο υψηλές θερμοκρασίες. Αυτή η κατάσταση ονομάζεται πλάσμα Στη Γη, το πλάσμα στο φυσικό περιβάλλον βρίσκεται μόνο στον κεραυνό και το βόρειο σέλας στο διάστημα, κυριολεκτικά τα πάντα αποτελούνται από αυτό - αστέρια, νεφελώματα, διαστρικό διάστημα.
Μέσα στο κτίριο που θα στεγάσει τον μεγαλύτερο αντιδραστήρα tokamak στον κόσμο.
Ο πρώτος που προτείνει τη χρήση θερμοπυρηνικώνΗ σύνθεση, συμπεριλαμβανομένης της βιομηχανικής χρήσης, ήταν ο σοβιετικός φυσικός Ο.Α. Λαβρέντιεφ. Το έκανε αυτό στη δουλειά του 1950. Με τη δουλειά του ξεκίνησε η μελέτη τρόπων χρήσης θερμοπυρηνικής σύντηξης.
Ένα χρόνο αργότερα, άλλοι φυσικοί — A.D.Ζαχάρωφ και Ι.Ε. Ο Tamm — ανέπτυξε την ιδέα και είπε ότι η θερμοπυρηνική αντίδραση πρέπει να διατηρηθεί μέσα σε έναν κλειστό δακτυλιοειδές θάλαμο. Για να δημιουργηθεί ένα μαγνητικό πεδίο μέσα στο tokamak, αποτελείται από τμήματα με πηνία τυλιγμένα μέσα τους. Δεδομένου ότι διατρέχουν όλο το μήκος του θαλάμου και δημιουργούν κάτι σαν κλειστή σήραγγα, το μαγνητικό πεδίο που προκύπτει ονομάζεται σπειροειδές. Αυτή είναι η περιοχή εργασίας της εγκατάστασης.
Inside the China Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST).
Όταν ο θάλαμος είναι γεμάτος, δημιουργείένα ηλεκτρικό πεδίο στροβιλισμού που διατηρεί το πλάσμα μέσα στον θάλαμο, και ταυτόχρονα το θερμαίνει, φέρνοντάς το στην ίδια θερμοκρασία πολλών εκατομμυρίων βαθμών.
Εφόσον το πεδίο και η θέρμανση δημιουργούνται λόγω αυξάνοντας το ρεύμα στον επαγωγέα, αλλά δεν μπορεί να αυξηθεί επ' αόριστον, η διάρκεια ζωής του πλάσματος σε σταθερή κατάσταση δεν υπερβαίνει ακόμη αρκετά δευτερόλεπτα. Αυτός είναι ο κύριος λόγος που δεν μπορούμε ακόμη να χρησιμοποιήσουμε τα tokamaks ως πηγή βιομηχανικής παραγωγής ενέργειας. Υπάρχουν τρόποι επίλυσης αυτού του προβλήματος, συμπεριλαμβανομένης της χρήσης ακτινοβολίας μικροκυμάτων, αλλά μέχρι στιγμής οι εργασίες προς αυτή την κατεύθυνση είναι ακόμη σε εξέλιξη.
Πολλοί άνθρωποι εργάζονται για να το πετύχουν αυτόστόχους, έχουν μεγάλες ελπίδες για τη συσκευή επόμενης γενιάς που είναι υπό κατασκευή. Το ITER, ή ο Διεθνής Θερμοπυρηνικός Πειραματικός Αντιδραστήρας, είναι ένα από τα πιο φιλόδοξα ενεργειακά έργα που έχει αναλάβει ποτέ η ανθρωπότητα, με τη συμμετοχή επιστημόνων και μηχανικών από 35 χώρες. Όταν ολοκληρωθεί το 2025, θα είναι η μεγαλύτερη συσκευή πυρηνικής σύντηξης στον κόσμο.
Αν και οι περισσότερες φιλοδοξίες της ανθρωπότηταςστον τομέα της πυρηνικής σύντηξης που σχετίζεται με το ITER, υπάρχουν και άλλες συναρπαστικές ευκαιρίες. Συμπεριλαμβανομένου ενός άλλου θερμοπυρηνικού αντιδραστήρα με μαγνητικό περιορισμό - ενός αστεριού.
Stellator - μιμείται ένα αστέρι
Όπως τα tokamaks, έτσι και οι stellarators είναι σχεδιασμένοι ναΠεριέχει ρεύματα πλάσματος σε κλειστό θάλαμο χρησιμοποιώντας μαγνητικά πηνία, αλλά με ορισμένες βασικές διαφορές. Αντί για ένα ωραίο, συμμετρικό σχήμα ντόνατ, το stellarator στέλνει πλάσμα σε ακανόνιστους κύκλους που περιστρέφονται και περιστρέφονται χρησιμοποιώντας μια απίστευτα πολύπλοκη σειρά μαγνητικών πηνίων. Αυτό φαίνεται αντίθετο, αλλά στην πραγματικότητα δημιουργεί μεγαλύτερη σταθερότητα στο πλάσμα λόγω των διαφορών στο εσωτερικό ρεύμα, γράφει ο New Atlas.
Από μόνη της, ένα stellarator είναι ένας τύπος αντιδραστήρα γιαεφαρμογή ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης. Το όνομα προέρχεται από lat. stella - star, υποδηλώνει την ομοιότητα των διαδικασιών που συμβαίνουν στο αστέρι και μέσα στα αστέρια. Εφευρέθηκε από τον Αμερικανό φυσικό L. Spitzer το 1950, το πρώτο πρωτότυπο χτίστηκε υπό την ηγεσία του το επόμενο έτος ως μέρος του μυστικού έργου Matterhorn.
Wendelstein 7-X (W7-X) - πειραματικόεγκατάσταση για έρευνα πλάσματος υψηλής θερμοκρασίας, που βρίσκεται στην πόλη Greifswald της Γερμανίας. Η κατασκευή του πραγματοποιήθηκε από το Max Planck Institute for Plasma Physics από το 2005 έως το 2014. Ο σκοπός της εγκατάστασης είναι να δοκιμάσει τη βιομηχανική καταλληλότητα ενός αντιδραστήρα σύντηξης τύπου αστέρι, καθώς και να ερευνήσει και να βελτιώσει τεχνικά στοιχεία και τεχνολογίες στον τομέα της ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης.
Σε τέτοιους αντιδραστήρες σύντηξηςο σπειροειδής θάλαμος έχει ένα περίπλοκο, ελαττωματικό σχήμα, όπως και τα μαγνητικά πεδία που δημιουργούνται γύρω του. Αυτός ο ασυνήθιστος σχεδιασμός, σύμφωνα με τη θεωρία, βοηθά αυτούς τους αντιδραστήρες να λειτουργούν σε συνεχή λειτουργία, ξοδεύοντας πολύ λιγότερη ενέργεια από τους συμβατικούς «ζυγούς» αντιδραστήρες. αντιδραστήρες τύπου tokamak. Επιπλέον, η πολύπλοκη διαμόρφωση του μαγνητικού πεδίου καθιστά δυνατή την αξιόπιστη συγκράτηση του πλάσματος υψηλής θερμοκρασίας, γεγονός που μειώνει τον κίνδυνο επαφής του με τα εσωτερικά τοιχώματα του θαλάμου του αντιδραστήρα. Ωστόσο, τέτοια πλεονεκτήματα έχουν ένα τίμημα, το οποίο έγκειται στην πολυπλοκότητα του σχεδιασμού και της κατασκευής του ίδιου του αντιδραστήρα.
Τον Δεκέμβριο του 2017, το W7-X ολοκλήρωσε το δεύτεροστάδιο πειραμάτων στο οποίο χρησιμοποιήθηκαν βελτιωμένα συστήματα θέρμανσης και μέτρησης πλάσματος. Το κύριο στοιχείο που δοκιμάστηκε στο δεύτερο στάδιο ήταν το σύστημα απομάκρυνσης θερμότητας, η λειτουργία του οποίου δεν πρέπει να επηρεάζει το καλώδιο πλάσματος. Αυτό το εργαλείο αποτελείται από μια αλυσίδα μαγνητών που σχηματίζουν πολύπλοκα μαγνητικά πεδία, με αποτέλεσμα το πλάσμα να περάσει κοντά σε 10 πλάκες ψύκτρας. Οποιαδήποτε απόκλιση των μαγνητικών πεδίων συνεπάγεται εκτροπή του καλωδίου πλάσματος, η οποία οδηγεί σε υπερθέρμανση των πλακών και σε υπερβολική ψύξη και καταστροφή του καλωδίου πλάσματος.
Η εργασία των ηλεκτρομαγνητών, που δημιουργούν ένα μαγνητικό πεδίο, ελέγχεται από ένα πολύπλοκο σύστημα ελέγχου που χρησιμοποιεί πολλές ανατροφοδοτήσεις.
Δεδομένου ότι τα αστέρια δεν απαιτούν τόσο πολύεσωτερικό ρεύμα και εγγενώς προσφέρουν μεγαλύτερη σταθερότητα από τα tokamaks, ο Hole λέει ότι μπορεί να ταιριάζουν καλύτερα στο τροφοδοτικό του δικτύου. Αυτό όμως υπόκειται στην προϋπόθεση ότι η εξαιρετικά περίπλοκη υποδομή μπορεί να κατασκευαστεί με φθηνό τρόπο και με τους ίδιους περιορισμούς, κάτι που δεν ισχύει στην τρέχουσα μορφή του.
Η αδρανειακή διατήρηση είναι μια ριζική προσέγγιση
Εκτός από τη μαγνητική περιοχή περιορισμού,Άλλες προσεγγίσεις για την πυρηνική σύντηξη που εμπίπτουν στον λεγόμενο αδρανειακό περιορισμό. Η αδρανειακή ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη είναι ένας από τους τύπους θερμοπυρηνικής σύντηξης, στον οποίο το θερμοπυρηνικό καύσιμο συγκρατείται από τις δικές του αδρανειακές δυνάμεις. Η ιδέα είναι η γρήγορη και ομοιόμορφη θέρμανση του θερμοπυρηνικού καυσίμου, έτσι ώστε το προκύπτον πλάσμα να έχει χρόνο να αντιδράσει πριν διασκορπιστεί. Έτσι, κατά τη χρήση αυτής της αρχής, ο αντιδραστήρας θα παλμού. Αυτή η νέα γραμμή έρευνας για την πυρηνική σύντηξη περιλαμβάνει τη χρήση ακρίβεια στοχευμένων ακτίνων λέιζερ ή ιόντων για τη γρήγορη θέρμανση ενός σφαιριδίου καυσίμου που θα αποτελείται από δευτέριο και τρίτιο.
Η ιδέα είναι ότι ο αντίκτυπος σε αυτάσφαιρίδια καυσίμου μια τέτοια ξαφνική και βίαιη θέρμανση θα προκαλέσει τεράστιες δυνάμεις συμπίεσης που πυροδοτούν μια αλυσιδωτή αντίδραση μέσω των στρωμάτων του υλικού στα οποία μπορεί να συμβεί πυρηνική σύντηξη, απελευθερώνοντας τεράστιες ποσότητες ενέργειας. Η HB11 Energy με έδρα την Αυστραλία προσπαθεί να καταργήσει την παραδοσιακή συνταγή δευτερίου και τριτίου υπέρ μιας μη ραδιενεργού προσέγγισης που περιλαμβάνει υδρογόνο και βόριο-b11.
Μικρό σφαιρίδιο καυσίμου βορίου υδρογόνουτοποθετείται σε μια μεγάλη σφαίρα και χτυπιέται ταυτόχρονα από δύο λέιζερ για να προκαλέσει αντίδραση σύντηξης που παράγει άμεσα ηλεκτρική ενέργεια χωρίς τη χρήση ατμοστροβίλων.
Η εταιρεία ισχυρίζεται ότι αποφεύγει πολλά προβλήματα,που επιδιώκουν την πυρηνική σύντηξη για δεκαετίες, κυρίως επειδή δεν προσπαθεί να θερμάνει το καύσιμο σε εξωφρενικά υψηλές θερμοκρασίες. Εκθέτει τα πέλλετ καυσίμου του σε δύο λέιζερ, το ένα για να δημιουργήσει ένα μαγνητικό πεδίο περιορισμού και το δεύτερο για να προκαλέσει μια αλυσιδωτή αντίδραση σύντηξης υδρογόνου και βορίου που δημιουργεί σωματίδια που με τη σειρά τους μπορούν να δημιουργήσουν ηλεκτρικό ρεύμα.
Σύμφωνα με τους ειδικούς, αυτό το ρεύμα μπορεί να είναι σχεδόναπευθείας στο υπάρχον σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. Δεν θα υπήρχε ανάγκη για γεννήτρια ατμοστρόβιλου ή εναλλάκτη θερμότητας και δεν θα υπήρχε κίνδυνος τήξης. Η ομάδα είναι πολύ αισιόδοξη για την τεχνολογία της και λέει ότι τα πειράματά της δείχνουν ταχύτητες αντίδρασης δισεκατομμύρια φορές καλύτερες από τις προβλεπόμενες και πιστεύει ότι το σχέδιο ανάπτυξής της θα είναι πολύ πιο γρήγορο και φθηνότερο από άλλες προσεγγίσεις.
Η ενέργεια που απελευθερώνεται ως αποτέλεσμα αυτού του είδουςαντίδραση, μπορεί να θερμάνει το περιβάλλον καύσιμο και, εάν η θερμοκρασία είναι αρκετά υψηλή, μπορεί επίσης να ξεκινήσει μια θερμοπυρηνική αντίδραση. Ο σκοπός τέτοιων εγκαταστάσεων είναι η ικανότητα επίτευξης θερμοπυρηνικής "καύσης", όταν η διαδικασία απελευθέρωσης θερμότητας προκαλεί μια αντίδραση ζεύξης που επηρεάζει ένα σημαντικό μέρος του καυσίμου. Μια τυπική μπάλα καυσίμου είναι το μέγεθος ενός κεφαλιού και περιέχει περίπου 10 χιλιοστόγραμμα καυσίμου. Στην πράξη, μόνο ένα μικρό κλάσμα αυτού του καυσίμου μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε θερμοπυρηνική αντίδραση, αλλά αν χρησιμοποιηθεί όλο αυτό το καύσιμο, θα απελευθερώσει ενέργεια ισοδύναμη με την καύση ενός βαρελιού λαδιού.
«Αυτή είναι ενδιαφέρουσα επιστήμη», είπε ο Μάθιου Χάουλ,εμπειρογνώμονας πυρηνικής σύντηξης και ερευνητής του Εθνικού Πανεπιστημίου της Αυστραλίας εξοικειωμένος με HB11 και ερευνητές που εργάζονται στο έργο στο New Atlas - Αλλά δεν έλεγα ότι υπάρχουν αδιάσειστα στοιχεία ότι θα μπορούσατε να το μετατρέψετε σε μια μονάδα παραγωγής ενέργειας&nb; ταχύτερη κλίμακα από το ITER ή το σπειροειδές μαγνητικό περιορισμό."
Σύμφωνα με τον Houle, το βασικό πρόβλημα με τέτοιαΟι προσεγγίσεις είναι ότι αυτές οι αντιδράσεις συμβαίνουν εν ριπή οφθαλμού. Για να εφαρμοστεί η τεχνολογία σε ένα πρακτικό εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής, πρέπει να εξελιχθεί από βραχυπρόθεσμες, εφάπαξ αντιδράσεις σε κάτι που παράγει μια σταθερή παροχή ενέργειας, όπως μια αναμμένη φωτιά.
Z-pinch - σκοτεινό άλογο
Ένα άλλο ενδιαφέρον παράδειγμα της αδρανειακής προσέγγισηςΟ περιορισμός στην πυρηνική σύντηξη είναι το Z-pinch Στην έρευνα για την ενέργεια σύντηξης, είναι ένας τύπος συστήματος περιορισμού του πλάσματος που χρησιμοποιεί ένα ηλεκτρικό ρεύμα στο πλάσμα για να δημιουργήσει ένα μαγνητικό πεδίο που το συμπιέζει.
Με άλλα λόγια, αντί να χρησιμοποιείτεμεγάλα και πολύπλοκα μαγνητικά πηνία για να συγκρατούν τα ρεύματα πλάσματος στη θέση τους, μια προσέγγιση που χρησιμοποιεί ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που δημιουργείται μέσα στο ίδιο το πλάσμα. Μπορούμε να πούμε ότι αυτό είναι το σκοτεινό άλογο στην κούρσα της πυρηνικής σύντηξης. Από την έναρξή του στη δεκαετία του 1950, το εφέ τσίμπημα έχει υποσχεθεί μια απλούστερη διαμόρφωση από τα tokamaks ή τα stellarators. Όμως, όπως αυτές οι συσκευές, έτσι και υπόκειται σε αστάθεια στο πλάσμα που εκτείνεται πέρα από τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου.
Σύστημα συγκράτησης Z-pinch στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον
Επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτονένας τρόπος για να εξομαλυνθούν αυτά τα εξογκώματα είναι με την προσαρμογή της υδροδυναμικής του πλάσματος. Ενώ μια πολλά υποσχόμενη λύση στο ενεργειακό πρόβλημα, όπως η προσέγγιση λέιζερ HB11, το Z-pinch εξακολουθεί να αντιμετωπίζει μεγάλες προκλήσεις όσον αφορά την παροχή συνεχούς ισχύος. Το πρόβλημα είναι ότι έχει επίσης παρορμητικό χαρακτήρα.
Ποια είναι η κατώτατη γραμμή;
ITER, σπειροειδής μαγνητικός περιορισμόςκαι η σχεδίαση tokamak είναι μακράν τα πιο προηγμένα. Ωστόσο, οι ερευνητές πυρηνικής σύντηξης χρησιμοποιούν διαφορετικές προσεγγίσεις, καθεμία με τα δικά της πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Δυστυχώς, ανεξάρτητα από την προσέγγιση, η διαδικασία εξακολουθεί να απαιτεί περισσότερη ενέργεια από αυτή που επιστρέφει. Αλλά η επίλυση αυτών των προβλημάτων μηχανικής και φυσικής για την παραγωγή καθαρής ενέργειας, όσο και αν είναι απίστευτα δύσκολο, θα είναι ένα από τα μεγαλύτερα επιτεύγματα της ανθρωπότητας.
Διαβάστε περισσότερα
Δημιουργήθηκε ο πρώτος ακριβής χάρτης του κόσμου. Τι συμβαίνει με όλους τους άλλους;
Η υπέρυθρη ακτινοβολία από ανθρώπινα χέρια χρησιμοποιήθηκε για κρυπτογράφηση
Ο Ουρανός έχει λάβει την κατάσταση του πιο παράξενου πλανήτη στο ηλιακό σύστημα. Γιατί;
Torus (τοροειδές) - είναι ογκομετρικότο σχήμα που προκύπτει από την περιστροφή του δακτυλίου γύρω από το κέντρο περιστροφής. Τραχιά παραδείγματα ενός δακτυλίου είναι ένα ντόνατ, κουλούρι ή ένας σωλήνας ποδηλάτου που αφαιρείται από έναν τροχό.