Τι είναι η πυρηνική σύντηξη;
Η πυρηνική σύντηξη (σε αυτή την περίπτωση μιλάμε για θερμοπυρηνική σύντηξη) είναι η αντίδραση
Σύμφωνα με τη σύγχρονη αστροφυσικήέννοιες, η κύρια πηγή ενέργειας του Ήλιου και άλλων αστεριών είναι η θερμοπυρηνική σύντηξη που συμβαίνει στα βάθη τους. Υπό χερσαίες συνθήκες, πραγματοποιείται με την έκρηξη μιας βόμβας υδρογόνου. Η θερμοπυρηνική σύντηξη συνοδεύεται από κολοσσιαία απελευθέρωση ενέργειας ανά μονάδα μάζας αντιδρώντων ουσιών (περίπου 10 εκατομμύρια φορές περισσότερο από ό, τι στις χημικές αντιδράσεις). Επομένως, έχει μεγάλο ενδιαφέρον να κυριαρχήσουμε αυτή τη διαδικασία και, στη βάση της, να δημιουργήσουμε μια φτηνή και φιλική προς το περιβάλλον πηγή ενέργειας. Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι μεγάλες επιστημονικές και τεχνικές ομάδες σε πολλές ανεπτυγμένες χώρες ασχολούνται με την έρευνα σχετικά με την ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη (CTF), εξακολουθούν να υπάρχουν πολλά πολύπλοκα προβλήματα που πρέπει να λυθούν προτού γίνει πραγματικότητα η βιομηχανική παραγωγή θερμοπυρηνικής ενέργειας.
Σύγχρονοι πυρηνικοί σταθμοί που χρησιμοποιούν τη διαδικασίατμήματα, μόνο εν μέρει ικανοποιούν τις παγκόσμιες ανάγκες σε ηλεκτρική ενέργεια. Το καύσιμο γι 'αυτούς είναι τα φυσικά ραδιενεργά στοιχεία ουράνιο και θόριο, η αφθονία και τα αποθέματα των οποίων στη φύση είναι πολύ περιορισμένα. Ως εκ τούτου, πολλές χώρες αντιμετωπίζουν το πρόβλημα της εισαγωγής τους. Το κύριο συστατικό του θερμοπυρηνικού καυσίμου είναι το ισότοπο υδρογόνου δευτέριο, το οποίο βρίσκεται στο θαλασσινό νερό. Τα αποθέματά του είναι δημόσια διαθέσιμα και πολύ μεγάλα (ο Παγκόσμιος Ωκεανός καλύπτει το ~71% της επιφάνειας της Γης και το δευτέριο αντιπροσωπεύει περίπου το 0,016% του συνολικού αριθμού ατόμων υδρογόνου που αποτελούν το νερό).
Εκτός από τη διαθεσιμότητα καυσίμων, οι πηγές θερμοπυρηνικής ενέργειας έχουν τα ακόλουθα σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των πυρηνικών σταθμών παραγωγής ενέργειας:
- ο αντιδραστήρας CTS περιέχει πολύ λιγότερο ραδιενεργά υλικά από έναν αντιδραστήρα πυρηνικής σχάσης και συνεπώς οι συνέπειες μιας τυχαίας έκλυσης ραδιενεργών προϊόντων είναι λιγότερο επικίνδυνες
- Οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις δημιουργούν λιγότερο μακράς διάρκειας ραδιενεργά απόβλητα.
- Το TCB επιτρέπει την άμεση παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Η επιτυχής εφαρμογή της αντίδρασης σύντηξης εξαρτάται από τις ιδιότητες των ατομικών πυρήνων που χρησιμοποιούνται και από τη δυνατότητα λήψης ενός πυκνού πλάσματος υψηλής θερμοκρασίας, το οποίο είναι απαραίτητο για την έναρξη της αντίδρασης.
Πώς απελευθερώνεται η ενέργεια κατά τη διάρκεια της σύντηξης;
Η απελευθέρωση ενέργειας κατά την πυρηνική σύντηξη οφείλεταιεξαιρετικά έντονες δυνάμεις έλξης που ενεργούν μέσα στον πυρήνα. Αυτές οι δυνάμεις συγκρατούν τα πρωτόνια και τα νετρόνια που αποτελούν τον πυρήνα. Είναι πολύ έντονα και αποσυντίθενται πολύ γρήγορα με απόσταση. Εκτός από αυτές τις δυνάμεις, τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια δημιουργούν ηλεκτροστατικές απωθητικές δυνάμεις. Η ακτίνα δράσης των ηλεκτροστατικών δυνάμεων είναι πολύ μεγαλύτερη από εκείνη των πυρηνικών δυνάμεων, έτσι αρχίζουν να επικρατούν όταν οι πυρήνες αφαιρούνται ο ένας από τον άλλο.
Υπό κανονικές συνθήκες, η κινητική ενέργεια των πυρήνωνΤα ελαφριά άτομα είναι πολύ μικρά για να ξεπεράσουν την ηλεκτροστατική απώθηση, θα μπορούσαν να προσεγγίσουν και να εισέλθουν σε μια πυρηνική αντίδραση. Ωστόσο, η απώθηση μπορεί να ξεπεραστεί με "ωμή" δύναμη, για παράδειγμα, συγκρούοντας πυρήνες με υψηλή σχετική ταχύτητα.
Γιατί οι επιστήμονες κάνουν πυρηνική σύντηξη;
Ερευνητές αναπτύσσουν θερμοπυρηνικάΈνας αντιδραστήρας που μπορεί να παράγει περισσότερη ισχύ από ό, τι καταναλώνει, έδειξε σε μια σειρά πρόσφατων εργασιών ότι τα σχέδιά τους πρέπει να λειτουργούν, αποκαθιστώντας την αισιοδοξία ότι αυτή η καθαρή, απεριόριστη πηγή ενέργειας θα βοηθήσει στην ανακούφιση της κλιματικής κρίσης.
Μια ομάδα ερευνητών από τη ΜασαχουσέτηΤο Ινστιτούτο Τεχνολογίας (MIT) και άλλα ινστιτούτα δηλώνουν ότι ο συμπαγής αντιδραστήρας σύντηξης SPARC θα λειτουργήσει στην πραγματικότητα. Τουλάχιστον θεωρητικά, όπως ισχυρίζονται σε μια σειρά πρόσφατων δημοσιευμένων μελετών.
Η ομάδα επισημαίνει ότι κατά τα στάδια προγραμματισμού όχιδεν βρέθηκαν αναπάντεχα εμπόδια ή εκπλήξεις. Αυτό αναφέρεται σε επτά άρθρα που γράφτηκαν από 47 ερευνητές από 12 διαφορετικά επιστημονικά ιδρύματα.
Αν και ο νέος αντιδραστήρας βρίσκεται ακόμη υπό κατασκευήΣτα πρώτα στάδια ανάπτυξής του, οι επιστήμονες ελπίζουν ότι θα μπορούσε να αρχίσει να παράγει ηλεκτρική ενέργεια μέχρι το τέλος της δεκαετίας. Ο Μάρτιν Γκρίνγουαλντ, ένας από τους ανώτερους επιστήμονες του έργου, είπε στον Guardian ότι ένα βασικό κίνητρο για το φιλόδοξο χρονοδιάγραμμα είναι η κάλυψη των ενεργειακών αναγκών σε έναν κόσμο που θερμαίνεται. «Το Fusion φαίνεται να είναι μια από τις πιθανές λύσεις για να βγούμε από την επικείμενη κλιματική καταστροφή», είπε.
Ποιο είναι το πρόβλημα με τη σύντηξη και πώς μπορεί να βοηθήσει τον πλανήτη;
Πυρηνική σύντηξη, μια φυσική διαδικασία πουΗ τροφοδοσία του ήλιου μας συμβαίνει όταν τα άτομα συγκρούονται μαζί σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις, αναγκάζοντάς τα να απελευθερώσουν τεράστιες ποσότητες ενέργειας με τη σύντηξη με βαρύτερα άτομα.
Δεδομένου ότι ανακαλύφθηκε για πρώτη φοράΤον περασμένο αιώνα, οι επιστήμονες προσπάθησαν να αξιοποιήσουν την πυρηνική σύντηξη, μια εξαιρετικά πυκνή μορφή ενέργειας της οποίας το καύσιμο - ισότοπα υδρογόνου - είναι άφθονο και αναπληρώνεται. Επιπλέον, η πυρηνική σύντηξη δεν παράγει αέρια θερμοκηπίου ή άνθρακα και, σε αντίθεση με τους αντιδραστήρες πυρηνικής σχάσης, δεν ενέχει τον κίνδυνο τήξης.
Ωστόσο, η χρήση αυτής της μορφής πυρηνικής ενέργειαςαποδείχτηκε εξαιρετικά δύσκολο γιατί απαιτούσε θέρμανση της «σούπας υποατομικών σωματιδίων» - του πλάσματος - σε εκατοντάδες εκατομμύρια βαθμούς - πολύ ζεστή για να τη χειριστεί οποιοδήποτε δοχείο. Για να το ξεπεράσουν αυτό, οι επιστήμονες ανέπτυξαν έναν θάλαμο σε σχήμα ντόνατ με ισχυρό μαγνητικό πεδίο που τον διατρέχει, που ονομάζεται τοκαμάκ, που συγκρατεί το πλάσμα στη θέση του.
Τι έχει ήδη αναπτυχθεί;
Επιστήμονες της Τεχνολογίας του Ινστιτούτου της Μασαχουσέτηςκαι η θυγατρική Commonwealth Fusion Systems άρχισαν να σχεδιάζουν έναν νέο αντιδραστήρα, πιο συμπαγές από τους προκατόχους του, στις αρχές του 2018, με την κατασκευή να ξεκινήσει το πρώτο εξάμηνο του επόμενου έτους. Εάν το χρονοδιάγραμμά τους ακολουθεί το σχέδιο, ένας αντιδραστήρας που ονομάζεται Sparc θα μπορούσε να παράγει ηλεκτρική ενέργεια για το δίκτυο έως το 2030, σύμφωνα με ερευνητές και αξιωματούχους της εταιρείας. Αυτό θα είναι πολύ ταχύτερο από τις υπάρχουσες μεγάλες πρωτοβουλίες για την ενέργεια σύντηξης.
Τα τρέχοντα σχέδια αντιδραστήρων είναι πολύ μεγάλακαι δρόμοι για την πραγματική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για τους καταναλωτές. Χρησιμοποιώντας αιχμής, εξαιρετικά ισχυρούς μαγνήτες, η ομάδα του MIT και της Commonwealth Fusion ελπίζει να δημιουργήσει έναν συμπαγή, αποτελεσματικό και επεκτάσιμο αντιδραστήρα tokamak. "Αυτό που κάναμε πραγματικά είναι να συνδυάσουμε την υπάρχουσα επιστήμη με νέο υλικό για να ανοίξουμε τεράστιες νέες δυνατότητες", δήλωσε ο Greenwald.
Αφού αποδείξατε ότι η συσκευή Sparcθα μπορούσε θεωρητικά να παράγει περισσότερη ενέργεια από ό, τι απαιτείται για τη λειτουργία, σε ερευνητικά έγγραφα που δημοσιεύθηκαν τον Σεπτέμβριο, το επόμενο βήμα είναι να κατασκευαστεί ένας αντιδραστήρας και έπειτα μια πιλοτική μονάδα που θα παράγει ηλεκτρική ενέργεια στο δίκτυο.
Όλα τα υπέρ και τα κατά της πυρηνικής σύντηξης
Επιστήμονες και επιχειρηματίες το έχουν υποσχεθεί εδώ και πολύ καιρόΗ θερμοπυρηνική σύντηξη είναι πολύ κοντά, αλλά αντιμετώπισε ανυπέρβλητα προβλήματα. Αυτό προκάλεσε την απροθυμία να επενδύσει σε αυτό, ειδικά καθώς οι αιολικές, ηλιακές και άλλες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, αν και λιγότερο ισχυρές από τη σύντηξη, έχουν καταστεί πιο αποδοτικές και οικονομικά αποδοτικές.
Αλλά η κατάσταση αλλάζει.Στο σχέδιο των 2 τρισεκατομμυρίων δολαρίων του Μπάιντεν, χαρακτήρισε την προηγμένη πυρηνική τεχνολογία μέρος μιας στρατηγικής για την αποκανονισμό. Οι δημοκράτες υποστήριξαν την πυρηνική ενέργεια για πρώτη φορά από το 1972. Σημαντικές επενδύσεις προέρχονται επίσης από ιδιωτικές πηγές, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων μεγάλων εταιρειών πετρελαίου και φυσικού αερίου, που βλέπουν τη σύντηξη ως καλύτερη μακροπρόθεσμη βάση από τον άνεμο και τον ήλιο.
Σύμφωνα με τον Bob Mumgaard, στέλεχοςΔιευθυντής της Commonwealth Fusion, ο στόχος δεν είναι να χρησιμοποιηθεί η σύντηξη για να αντικαταστήσει την ηλιακή και την αιολική ενέργεια, αλλά να τις συμπληρώσει. «Υπάρχουν πράγματα που θα είναι δύσκολο να γίνουν μόνο με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, σε βιομηχανική κλίμακα, όπως η τροφοδοσία μεγάλων πόλεων ή η μεταποίηση», είπε. «Εκεί μπορεί να είναι χρήσιμη η σύνθεση».
Η κοινότητα του πλάσματος στο σύνολό της είναι ενθουσιώδης για την πρόοδο του Sparc, αν και ορισμένοι αμφισβήτησαν το φιλόδοξο χρονοδιάγραμμα δεδομένων τεχνικών και κανονιστικών εμποδίων.
Daniel Jessby, 25 χρόνια επιστημονικής έρευναςΈνας συνεργάτης στο Princeton Plasma Physics Laboratory, είναι δύσπιστος εάν ένας αντιδραστήρας σύντηξης όπως το SPARC θα μπορούσε ποτέ να γίνει μια πιθανή εναλλακτική πηγή ενέργειας. Το Tritium, ένα από τα ισότοπα υδρογόνου που το Sparc θα χρησιμοποιήσει ως καύσιμο, δεν εμφανίζεται στη φύση και πρέπει να παραχθεί, είπε.
Τεχνολογική ομάδα της ΜασαχουσέτηςΤο Ινστιτούτο υποθέτει ότι αυτή η ουσία θα αναγεννάται συνεχώς από την ίδια την αντίδραση σύνθεσης. Αλλά ο Τζέσμπυ πιστεύει ότι αυτό θα απαιτήσει τεράστια ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας, καθιστώντας τον αντιδραστήρα απαγορευτικά ακριβό. «Όταν πιστεύεις ότι παίρνουμε ηλιακή και αιολική ενέργεια δωρεάν, θα ήταν ανόητο να βασίζεσαι στην αντίδραση σύντηξης», καταλήγει.
Διαβάστε περισσότερα
Έρευνα: οι άνθρωποι δεν θα μπορούν να ελέγχουν υπερ-ευφυείς μηχανές AI
Άμβλωση και επιστήμη: τι θα συμβεί στα παιδιά που θα γεννήσουν
Δείτε τις πιο όμορφες φωτογραφίες του Χαμπλ. Τι έχει δει το τηλεσκόπιο σε 30 χρόνια;