Síntesis y fisión: ¿cuál es la diferencia?
La fusión y la fisión son procesos diferentes para producir energía nuclear.
Esta energía producida por nuclearla fisión, se captura dentro de los reactores y se utiliza para calentar el agua hasta convertirla en vapor, que hace girar una turbina y genera electricidad. Pero este proceso crea desechos que pueden permanecer radiactivos durante millones de años. La situación en los reactores de Fukushima y Chernobyl mostró cómo podría resultar esto.
Por otro lado, la fusión termonuclear no conduciráa la formación de desechos nucleares a largo plazo, y los materiales necesarios se pueden reciclar en 100 años. Tampoco hay peligro de accidente, porque el proceso se basa en reacciones de alta temperatura que se detienen en unos segundos si el equipo no funciona correctamente. Y dado que estas reacciones usan una cantidad relativamente pequeña de combustible, no hay peligro de usarlas para producir armas nucleares.
En el campo de la investigación de la fusión nuclear, existencientíficos que se esfuerzan por un objetivo: recrear los procesos que el propio Sol utiliza para producir una gran cantidad de energía. Enormes fuerzas gravitacionales atrapan el hidrógeno de la atmósfera del sol y utilizan calor y presión intensos para convertir el gas en plasma. En él, los núcleos chocan a gran velocidad, formando helio y liberando energía.
Las colosales fuerzas gravitacionales del Sol son aproximadamente 28 veces mayores que las de la Tierra.Los científicos han tenido que ser creativos a la hora de limitar el combustible para las reacciones de fusión nuclear.El enfoque preferido en su forma actual es usar campos magnéticos, que se pueden usar para contener dos formas pesadas de hidrógeno, deuterio y tritio, en un dispositivo llamado tokamak.
Tokamak - grandes esperanzas
La palabra “tokamak” en sí misma no es nada.no denota es solo una abreviatura, que luego se convirtió en una palabra de pleno derecho. Se utiliza no solo en Rusia, sino también en el extranjero, ya que fue en nuestro país donde se inventó esto y fue aquí donde se desarrolló activamente durante mucho tiempo.
Tokamak es una cámara toroidal con bobinas magnéticas. Eso es todo.
La esencia de un tokamak se reduce a crearcampo magnético en el que se producirá la reacción de fusión termonuclear. Dado que la temperatura de tal reacción no sólo es alta, sino literalmente prohibitiva (varios millones de grados Celsius), no puede llevarse a cabo simplemente dentro de algún tipo de cámara: se fundirá mucho antes de que se alcance la temperatura de funcionamiento.
Esta temperatura se logra debido a queDentro del tokamak, la sustancia se encuentra en el cuarto estado de agregación, que se logra a temperaturas tan altas. Este estado se llama plasma. En la Tierra, el plasma en el entorno natural se encuentra solo en los relámpagos y las auroras boreales, en el espacio, literalmente, todo está compuesto por él: estrellas, nebulosas y el espacio interestelar.
Dentro del edificio que albergará el reactor tokamak más grande del mundo.
El primero en proponer el uso de termonucleares.síntesis, incluso con fines industriales, fue el físico soviético O.A. Lavrentyev. Hizo esto en su trabajo de 1950. Fue con su trabajo que comenzó el estudio de las formas de utilizar la fusión termonuclear.
Un año después, otros físicos—A.D.Sajarov y I.E. Tamm desarrolló la idea y dijo que la reacción termonuclear debería mantenerse dentro de una cámara toroidal cerrada. Para crear un campo magnético dentro del tokamak, éste se compone de secciones con bobinas enrolladas en su interior. Dado que recorren toda la longitud de la cámara y crean algo así como un túnel cerrado, el campo magnético resultante se llama toroidal. Esta es la zona de trabajo de la instalación.
Dentro del Tokamak Superconductor Avanzado Experimental de China (EAST).
Cuando la cámara está llena, creaun campo eléctrico de vórtice que mantiene el plasma dentro de la cámara y al mismo tiempo lo calienta, llevándolo a la misma temperatura de varios millones de grados.
Dado que el campo y la calefacción se crean debido a laAl aumentar la corriente en el inductor, pero no puede aumentar indefinidamente, la vida útil del plasma en un estado estable aún no supera varios segundos. Ésta es la razón principal por la que todavía no podemos utilizar los tokamaks como fuente de producción de energía industrial. Hay formas de resolver este problema, incluido el uso de radiación de microondas, pero hasta el momento se sigue trabajando en esta dirección.
Mucha gente trabajando para lograrlo.objetivos, tienen grandes esperanzas en el dispositivo de próxima generación que se encuentra actualmente en construcción. ITER, o Reactor Experimental Termonuclear Internacional, es uno de los proyectos energéticos más ambiciosos que la humanidad haya emprendido jamás, en el que participan científicos e ingenieros de 35 países. Cuando esté terminado en 2025, será el dispositivo de fusión nuclear más grande del mundo.
Aunque la mayoría de las ambiciones de la humanidadEn el campo de la fusión nuclear asociada con ITER, existen otras oportunidades interesantes. Incluyendo otro reactor termonuclear con confinamiento magnético: un estelarador.
Stellator - imitando una estrella
Al igual que los tokamaks, los stellarators están diseñados paraContiene corrientes de plasma en una cámara cerrada que utiliza bobinas magnéticas, pero con algunas diferencias clave. En lugar de una bonita y simétrica forma de donut, el estelarador envía plasma en círculos irregulares que giran y giran utilizando una serie increíblemente compleja de bobinas magnéticas. Esto parece contradictorio, pero en realidad crea una mayor estabilidad en el plasma debido a diferencias en la corriente interna, escribe New Atlas.
Por sí mismo, un estelarizador es un tipo de reactor paraImplementación de fusión termonuclear controlada. El nombre proviene de lat. stella - estrella, indica la similitud de los procesos que ocurren en el estelar y dentro de las estrellas. Inventado por el físico estadounidense L. Spitzer en 1950, el primer prototipo fue construido bajo su liderazgo al año siguiente como parte del proyecto secreto Matterhorn.
Wendelstein 7-X (W7-X) - experimentalinstalación para investigación de plasma de alta temperatura, ubicada en la ciudad de Greifswald en Alemania. Su construcción fue realizada por el Instituto Max Planck de Física del Plasma de 2005 a 2014. El propósito de la instalación es probar la idoneidad industrial de un reactor de fusión tipo estelar, así como investigar y mejorar componentes técnicos y tecnologías en el campo de la fusión termonuclear controlada.
En tales reactores de fusiónLa cámara toroidal tiene una forma compleja y sinuosa, al igual que los campos magnéticos creados a su alrededor. Según la teoría, este diseño inusual ayuda a que dichos reactores funcionen en modo continuo, gastando mucha menos energía que los reactores "uniformes" convencionales. Reactores tipo tokamak. Además, la compleja configuración del campo magnético permite contener de forma fiable el plasma a alta temperatura, lo que reduce el riesgo de contacto con las paredes internas de la cámara del reactor. Sin embargo, estas ventajas tienen un precio, que reside en la complejidad del diseño y la fabricación del propio reactor.
En diciembre de 2017, W7-X completó su segundoetapa de experimentos en los que se utilizaron sistemas mejorados de calentamiento y medición de plasma. El elemento principal que se probó en la segunda etapa fue el sistema de eliminación de calor, cuyo funcionamiento no debería afectar el cordón de plasma. Esta herramienta consta de una cadena de imanes que forman campos magnéticos complejos, obligando al plasma a pasar cerca de 10 placas disipadoras de calor. Cualquier desviación de los campos magnéticos conlleva una desviación del cordón de plasma, lo que conduce a un sobrecalentamiento de las placas y a un enfriamiento excesivo y destrucción del cordón de plasma.
El trabajo de los electroimanes que crean el campo magnético está controlado por un complejo sistema de control que utiliza muchas realimentaciones.
Dado que los estelaradores no requieren tantocorriente interna e intrínsecamente ofrecen una mayor estabilidad que los tokamaks, Hole dice que pueden ser más adecuados para alimentar la red. Pero esto es con la condición de que la infraestructura increíblemente compleja se pueda construir de manera económica y con las mismas limitaciones, lo que no es el caso en su forma actual.
La retención inercial es un enfoque radical
Además de la región de confinamiento magnético,otros enfoques de la fusión nuclear que caen bajo el llamado confinamiento inercial. La fusión termonuclear controlada por inercia es uno de los tipos de fusión termonuclear, en la que el combustible termonuclear es sostenido por sus propias fuerzas inerciales. La idea es calentar rápida y uniformemente el combustible termonuclear, para que el plasma resultante tenga tiempo de reaccionar antes de dispersarse. Por lo tanto, cuando se utiliza este principio, el reactor será pulsado. Esta nueva línea de investigación en fusión nuclear implica el uso de rayos láser o de iones dirigidos con mucha precisión para calentar rápidamente una pastilla de combustible que estará compuesta de deuterio y tritio.
La idea es que el impacto en estospellets de combustible Un calentamiento tan repentino y violento provocará enormes fuerzas de compresión que desencadenarán una reacción en cadena a través de las capas de material en las que puede producirse la fusión nuclear, liberando enormes cantidades de energía. HB11 Energy, con sede en Australia, está buscando eliminar la receta tradicional de deuterio y tritio en favor de un enfoque no radiactivo que incluya hidrógeno y boro-b11.
Pequeño pellet de combustible de boro de hidrógenocolocado en una esfera grande y golpeado por dos láseres simultáneamente para desencadenar una reacción de fusión que genera electricidad directamente sin el uso de turbinas de vapor.
La empresa pretende evitar muchos problemas,que ha buscado la fusión nuclear durante décadas, en gran parte porque no intenta calentar su combustible a temperaturas increíblemente altas. Expone sus pastillas de combustible a dos láseres, uno para crear un campo de confinamiento magnético y el segundo para desencadenar una reacción en cadena de fusión de hidrógeno y boro que crea partículas que a su vez pueden generar una corriente eléctrica.
Según los expertos, esta corriente puede ser casidirectamente al sistema eléctrico existente. No habría necesidad de un generador de turbina de vapor ni de un intercambiador de calor, y no habría riesgo de fusión. El equipo es muy optimista acerca de su tecnología y dice que sus experimentos muestran velocidades de reacción mil millones de veces mejores de lo previsto y cree que su plan de desarrollo será mucho más rápido y económico que otros enfoques.
La energía que se libera como resultado de talreacción, es capaz de calentar el combustible circundante y, si la temperatura es lo suficientemente alta, también puede iniciar una reacción termonuclear. El propósito de tales instalaciones es la capacidad de lograr una "combustión" termonuclear, cuando el proceso de liberación de calor provoca una reacción de enlace que afecta a una parte significativa del combustible. Una bola de combustible típica es del tamaño de la cabeza de un alfiler y contiene aproximadamente 10 miligramos de combustible. En la práctica, solo una pequeña fracción de este combustible puede usarse en una reacción termonuclear, pero si se usa todo este combustible, liberará energía equivalente a quemar un barril de petróleo.
"Esta es una ciencia interesante", dijo Matthew Houle,experto en fusión nuclear e investigador de la Universidad Nacional de Australia familiarizado con HB11 y con los investigadores que trabajan en el proyecto en New Atlas, pero no diría que hay evidencia convincente de que se podría convertir en una planta de energía en un escala más rápida que ITER o Confinamiento Magnético Toroidal."
Según Houle, el problema clave con este tipo deenfoques es que estas reacciones ocurren en un abrir y cerrar de ojos. Para que la tecnología se pueda aplicar a una planta de energía práctica, debe evolucionar desde reacciones únicas y de corto plazo a algo que produzca un suministro constante de energía, como un fuego ardiente.
Z-pinch - caballo oscuro
Otro ejemplo interesante del enfoque inercial.El confinamiento a la fusión nuclear es el pellizco Z. En la investigación de la energía de fusión, es un tipo de sistema de confinamiento de plasma que utiliza una corriente eléctrica en el plasma para crear un campo magnético que lo comprime.
En otras palabras, en lugar de utilizarbobinas magnéticas grandes y complejas para mantener los flujos de plasma en su lugar, un enfoque que utiliza un campo electromagnético que se genera dentro del propio plasma. Podemos decir que este es el caballo oscuro en la carrera de la fusión nuclear. Desde sus inicios en la década de 1950, el efecto pellizco ha prometido una configuración más simple que los tokamaks o los estelaradores. Pero al igual que estos dispositivos, también sujeto a una inestabilidad en el plasma que se extiende más allá de las líneas del campo magnético.
Sistema de retención Z-pinch en la Universidad de Washington
Los científicos de la Universidad de Washington han ideadouna forma de suavizar estos golpes es ajustando la hidrodinámica del plasma. Si bien es una solución prometedora al problema de la energía, como el enfoque del láser HB11, el Z-pinch aún enfrenta grandes desafíos cuando se trata de entregar energía continua. El problema es que también es de naturaleza impulsiva.
¿Cuál es el resultado final?
ITER, confinamiento magnético toroidaly el diseño tokamak son, con diferencia, los más avanzados. Sin embargo, los investigadores de la fusión nuclear utilizan diferentes enfoques, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. Desafortunadamente, independientemente del enfoque, el proceso todavía requiere más energía de la que devuelve. Pero resolver estos problemas de ingeniería y física para producir energía limpia, por increíblemente difícil que sea, será uno de los mayores logros de la humanidad.
Lee mas
Создана первая точная карта мира. Что не так со всеми остальными?
La radiación infrarroja de manos humanas se utilizó para el cifrado
Urano ha recibido el estatus del planeta más extraño del sistema solar. ¿Por qué?
Torus (toroide) - es un volumétricola forma resultante de la rotación del anillo alrededor del centro de rotación. Ejemplos aproximados de un toro serían una rosquilla, un bagel o un tubo de bicicleta extraído de una rueda.