Synteesi ja fissio: mikä ero on?
Fuusio ja fissio ovat erilaisia prosesseja ydinenergian tuottamisessa.
Tämä ydinvoiman tuottama energiafissio, otetaan talteen reaktorien sisällä ja sitä käytetään veden lämmittämiseen höyryksi, mikä muuttaa turbiinin ja tuottaa sähköä. Mutta tämä prosessi tuottaa jätettä, joka voi pysyä radioaktiivisena miljoonien vuosien ajan. Fukushiman ja Tšernobylin reaktoreiden tilanne osoitti, miten tämä voi osoittautua.
Toisaalta lämpöydinfuusio ei johdapitkäaikaisen ydinjätteen muodostumiseen, ja tarvittavat materiaalit voidaan kierrättää 100 vuoden kuluessa. Ei ole myöskään vaaraa onnettomuudesta, koska prosessi perustuu korkean lämpötilan reaktioihin, jotka pysähtyvät muutamassa sekunnissa, jos laitteen toimintahäiriöt. Ja koska nämä reaktiot käyttävät suhteellisen vähän polttoainetta, ei ole vaaraa käyttää niitä ydinaseiden tuottamiseen.
Ydinfuusiotutkimuksen alalla ontutkijat, jotka pyrkivät yhteen tavoitteeseen - luoda prosessit, joita aurinko itse käyttää tuottamaan valtavia määriä energiaa. Valtavat painovoimat vangitsevat vedyn auringon ilmakehästä ja käyttävät voimakasta lämpöä ja painetta kaasun muuntamiseksi plasmaksi. Siinä ytimet törmäävät suurella nopeudella muodostaen heliumia ja vapauttaen energiaa.
Auringon valtavat gravitaatiovoimat ovat noin 28 kertaa suuremmat kuin täällä maapallolla .Tutkijoiden on täytynyt olla luovia ydinfuusioreaktioiden polttoaineen rajoittamisessa.Edullisin lähestymistapa nykyisessä muodossaan on käyttää magneettikenttiä, joita voidaan käyttää kahden raskaan vetymuodon, deuteriumin ja tritiumin pitämiseen tokamak-nimisessä laitteessa.
Tokamak - suuria toiveita
Sana "tokamak" itsessään ei ole mitäänei merkitse on vain lyhenne, josta tuli myöhemmin täysi sana. Sitä ei käytetä vain Venäjällä, vaan myös ulkomailla, koska tämä asia keksittiin maassamme ja täällä he kehittivät aktiivisesti pitkään.
Tokamak on toroidinen kammio magneettikeloilla. Siinä kaikki.
Tokamakin ydin on luomisessamagneettikenttä, jossa termoydinfuusioreaktio tapahtuu. Koska tällaisen reaktion lämpötila ei ole vain korkea, vaan kirjaimellisesti kohtuullinen (useita miljoonia celsiusasteita), sitä ei voida suorittaa vain jonkinlaisen kammion sisällä - se sulaa kauan ennen kuin käyttölämpötila saavutetaan.
Tämä lämpötila saavutetaan johtuen siitä, ettäTokamakin sisällä aine on neljännessä aggregaatiotilassa, mikä saavutetaan niin korkeissa lämpötiloissa. Tätä tilaa kutsutaan plasmaksi. Maapallolla plasmaa luonnollisessa ympäristössä esiintyy vain salamoissa ja revontulia, avaruudessa kirjaimellisesti kaikki koostuu siitä - tähdet, sumut, tähtienvälinen avaruus.
Rakennuksen sisällä, johon tulee maailman suurin tokamak-reaktori.
Ensimmäinen, joka ehdotti lämpöydinkäyttöäsynteesi, myös teollisiin tarkoituksiin, oli Neuvostoliiton fyysikko O.A. Lavrentiev. Hän teki tämän vuonna 1950 tekemässään työssä. Hänen työstään alkoi tutkia tapoja käyttää lämpöydinfuusiota.
Vuotta myöhemmin muut fyysikot – jKr.Saharov ja I.E. Tamm – kehitti idean ja sanoi, että lämpöydinreaktio tulisi ylläpitää suljetussa toroidisessa kammiossa. Magneettikentän luomiseksi tokamakin sisään se koostuu osista, joiden sisään on kierretty keloja. Koska ne kulkevat koko kammion pituuden ja muodostavat jotain suljetun tunnelin kaltaista, tuloksena olevaa magneettikenttää kutsutaan toroidiseksi. Tämä on asennuksen työalue.
China Experimental Advanced Superconducting Tokamakin (EAST) sisällä.
Kun kammio on täynnä, se luopyörteinen sähkökenttä, joka ylläpitää plasmaa kammion sisällä ja samalla lämmittää sen nostaen sen samaan useiden miljoonien asteiden lämpötilaan.
Koska kenttä ja lämmitys syntyvät lisäämällä induktorin virtaa, mutta se ei voi kasvaa loputtomiin, plasman käyttöikä stabiilissa tilassa ei vielä ylitä useita sekunteja. Tämä on suurin syy siihen, ettemme voi vielä käyttää tokamakseja teollisen energiantuotannon lähteenä. On olemassa tapoja ratkaista tämä ongelma, mukaan lukien mikroaaltosäteilyn käyttö, mutta toistaiseksi työ tähän suuntaan on edelleen käynnissä.
Monet ihmiset työskentelevät tämän saavuttamiseksitavoitteita, on suuria toiveita seuraavan sukupolven laitteelta, joka on parhaillaan rakenteilla. ITER eli International Thermonuclear Experimental Reactor on yksi kunnianhimoisimmista energiaprojekteista, joita ihmiskunta on koskaan toteuttanut, ja siinä on mukana tutkijoita ja insinöörejä 35 maasta. Valmistuessaan vuonna 2025 siitä tulee maailman suurin ydinfuusiolaite.
Vaikka suurin osa ihmiskunnan tavoitteistaITERiin liittyvän ydinfuusion alalla on muitakin jännittäviä mahdollisuuksia. Mukaan lukien toinen lämpöydinreaktori, jossa on magneettinen eristys - stellaraattori.
Stellator - tähtiä jäljittelemällä
Kuten tokamaks, stellaraattorit on suunniteltuSisältää plasmavirtoja suljetussa kammiossa magneettikeloilla, mutta joitakin keskeisiä eroja. Kauniin, symmetrisen donitsimuodon sijaan stellaraattori lähettää plasmaa epäsäännöllisiksi ympyröiksi, jotka pyörivät ja pyörivät käyttämällä uskomattoman monimutkaista magneettikelasarjaa. Tämä vaikuttaa ristiriitaiselta, mutta itse asiassa se lisää plasman vakautta sisäisen virran erojen vuoksi, kirjoittaa New Atlas.
Stellarator on sinänsä eräänlainen reaktorihallitun lämpöydinfuusion toteuttaminen. Nimi tulee latista. stella - tähti, osoittaa stellaraattorissa ja tähtien sisällä tapahtuvien prosessien samankaltaisuuden. Amerikkalaisen fyysikon L. Spitzerin vuonna 1950 keksimä ensimmäinen prototyyppi rakennettiin hänen johdollaan seuraavana vuonna osana salaista Matterhorn-projektia.
Wendelstein 7-X (W7-X) - kokeellinenasennus korkean lämpötilan plasman tutkimusta varten, joka sijaitsee Greifswaldin kaupungissa Saksassa. Sen rakentamisen suoritti Max Planckin plasmafysiikan instituutti vuosina 2005--2014. Laitoksen tarkoituksena on testata stellaraattorityyppisen fuusioreaktorin teollista soveltuvuutta sekä tutkia ja parantaa teknisiä komponentteja ja tekniikoita hallitun lämpöydinfuusion alalla.
Tällaisissa fuusioreaktoreissatoroidisella kammiolla on monimutkainen, mutkainen muoto, samoin kuin sen ympärille syntyneet magneettikentät. Tämä teorian mukaan epätavallinen rakenne auttaa tällaisia reaktoreita toimimaan jatkuvassa tilassa, kuluttaen paljon vähemmän energiaa kuin perinteiset "tasaiset" reaktorit. tokamak-tyyppiset reaktorit. Lisäksi magneettikentän monimutkainen konfiguraatio mahdollistaa korkean lämpötilan plasman luotettavan säilyttämisen, mikä vähentää sen kosketuksen riskiä reaktorikammion sisäseinien kanssa. Tällaisilla eduilla on kuitenkin hinta, joka johtuu itse reaktorin suunnittelun ja valmistuksen monimutkaisuudesta.
Joulukuussa 2017 W7-X sai toisen päätökseenkoevaiheessa, jossa käytettiin parannettuja plasmalämmitys- ja mittausjärjestelmiä. Pääelementti, joka testattiin toisessa vaiheessa, oli lämmönpoistojärjestelmä, jonka toiminnan ei pitäisi vaikuttaa plasmajohtoon. Tämä työkalu koostuu magneettiketjusta, jotka muodostavat monimutkaisia magneettikenttiä, jotka pakottavat plasman ohittamaan lähes 10 jäähdytyselementtilevyä. Kaikki magneettikenttien poikkeamat johtavat plasmajohdon taipumiseen, mikä johtaa levyjen ylikuumenemiseen ja plasmajohdon liialliseen jäähtymiseen ja tuhoutumiseen.
Magneettikentän muodostavien sähkömagneettien toimintaa ohjaa monimutkainen ohjausjärjestelmä, joka käyttää monia palautteita.
Koska tähtilaitteet eivät vaadi niin paljonsisäinen virta ja tarjoavat luonnostaan enemmän vakautta kuin tokamakit, Hole sanoo, että ne saattavat hyvinkin soveltua verkkoon. Mutta sillä edellytyksellä, että uskomattoman monimutkainen infrastruktuuri voidaan rakentaa edullisella tavalla ja samoin rajoituksin, mikä ei ole nykyisessä muodossaan.
Inertiasäilytys on radikaali lähestymistapa
Magneettisen eristysalueen lisäksimuut lähestymistavat ydinfuusioon, jotka kuuluvat ns. hitausrajoitukseen. Inertiaalisesti ohjattu lämpöydinfuusio on yksi lämpöydinfuusion tyypeistä, jossa lämpöydinpolttoainetta pidetään omilla inertiavoimillaan. Ajatuksena on lämmittää ydinpolttoaine nopeasti ja tasaisesti, jotta tuloksena olevalla plasmalla on aikaa reagoida ennen sirontaa. Siten tätä periaatetta käytettäessä reaktori pulssitetaan. Tähän uuteen ydinfuusion tutkimuslinjaan kuuluu erittäin tarkasti kohdennettujen laser- tai ionisäteiden käyttö deuteriumista ja tritiumista koostuvan polttoainepelletin nopeaan lämmittämiseen.
Ajatuksena on, että vaikutus näihintällainen äkillinen ja väkivaltainen kuumennus aiheuttaa valtavia puristusvoimia, jotka käynnistävät ketjureaktion materiaalikerrosten läpi, joissa ydinfuusio voi tapahtua, vapauttaen valtavia määriä energiaa. Australialainen HB11 Energy haluaa poistaa perinteisen deuterium- ja tritium-reseptin ei-radioaktiivisen lähestymistavan puolesta, joka sisältää vetyä ja boori-b11: tä.
Pieni pelletti vety-booripolttoainettasijoitettu suureen palloon ja osunut kahdella laserilla samanaikaisesti laukaisemaan fuusioreaktion, joka tuottaa suoraan sähköä ilman höyryturbiinien käyttöä.
Yhtiö väittää välttävänsä monia ongelmia,jotka ovat harjoittaneet ydinfuusiota vuosikymmeniä, suurelta osin siksi, että se ei yritä lämmittää polttoainetta järjettömän korkeisiin lämpötiloihin. Hän altistaa polttoainepelletit kahdelle laserille, joista toinen luo magneettisen rajoituskentän ja toinen laukaisee vedyn ja boorin fuusion ketjureaktion, joka luo hiukkasia, jotka voivat puolestaan tuottaa sähkövirran.
Asiantuntijoiden mukaan tämä virta voi olla melkeinsuoraan olemassa olevaan sähköjärjestelmään. Höyryturbiinigeneraattoria tai lämmönvaihdinta ei tarvittaisi, eikä sulamisvaaraa olisi. Tiimi on erittäin optimistinen teknologiansa suhteen ja sanoo, että sen kokeet osoittavat reaktionopeudet miljardi kertaa ennustettua nopeammin ja uskovat sen kehityssuunnitelman olevan paljon nopeampi ja halvempi kuin muut lähestymistavat.
Energia, joka vapautuu tällaisen seurauksenareaktio, kykenee lämmittämään ympäröivän polttoaineen, ja jos lämpötila on riittävän korkea, se voi myös aloittaa lämpöydinreaktion. Tällaisten laitteistojen tarkoituksena on kyky saavuttaa lämpöydin "palaminen", kun lämmön vapautumisprosessi aiheuttaa linkkireaktion, joka vaikuttaa merkittävään osaan polttoainetta. Tyypillinen polttoainepallo on pinhead-kokoinen ja sisältää noin 10 milligrammaa polttoainetta. Käytännössä vain pieni osa tästä polttoaineesta voidaan käyttää ydinreaktiossa, mutta jos kaikki tämä polttoaine käytetään, se vapauttaa energiaa, joka vastaa öljytynnyrin polttamista.
"Tämä on mielenkiintoista tiedettä", sanoi Matthew Houle.ydinfuusioasiantuntija ja Australian kansallisen yliopiston tutkija, joka tuntee HB11:n ja tutkijat, jotka työskentelevät projektin parissa New Atlasissa - Mutta en väittäisi, että on vakuuttavia todisteita siitä, että voisit rakentaa sen voimalaitokseksi. nopeampi mittakaava kuin ITER tai toroidinen magneettinen rajoitus."
Houlen mukaan keskeinen ongelma tällaisissaLähestymistavan mukaan nämä reaktiot tapahtuvat silmänräpäyksessä. Jotta tekniikkaa voidaan soveltaa käytännön voimalaitokseen, sen täytyy kehittyä lyhytaikaisista, kertaluonteisista reaktioista johonkin, joka tuottaa jatkuvaa energiaa, kuten palavaan tulipaloon.
Z-hyppysellinen - tumma hevonen
Toinen mielenkiintoinen esimerkki inertiaalisesta lähestymistavastaYdinfuusion sulkeminen on Z-puristus. Fuusioenergiatutkimuksessa se on eräänlainen plasman eristysjärjestelmä, joka käyttää plasmassa olevaa sähkövirtaa muodostamaan magneettikentän, joka puristaa sitä.
Toisin sanoen käyttämisen sijaansuuret ja monimutkaiset magneettikelat pitämään plasmavirrat paikoillaan. Tämä lähestymistapa käyttää sähkömagneettista kenttää, joka syntyy itse plasmassa. Voimme sanoa, että tämä on ydinfuusiokilpailun pimeä hevonen. Sen perustamisesta 1950-luvulla, puristusvaikutus on luvannut yksinkertaisemman konfiguraation kuin tokamakit tai stellaraattorit. Mutta kuten nämä laitteet, se myös altistuu plasman epävakaudelle, joka ulottuu magneettikenttälinjojen ulkopuolelle.
Z-hyppysellinen pidätysjärjestelmä Washingtonin yliopistossa
Washingtonin yliopiston tutkijat ovat keksineettapa tasoittaa näitä kuoppia on säätämällä plasman hydrodynamiikkaa. Vaikka lupaava ratkaisu energiaongelmaan, kuten HB11-laser-lähestymistapa, Z-nipistimellä on edelleen suuria haasteita jatkuvan tehon toimittamisessa. Ongelmana on, että se on myös impulsiivinen.
Mikä lopputulos on?
ITER, toroidaalinen magneettinen rajoitusja tokamak-suunnittelu ovat ylivoimaisesti edistyneintä. Ydinfuusiotutkijat käyttävät kuitenkin erilaisia lähestymistapoja, joista jokaisella on omat etunsa ja haittansa. Valitettavasti lähestymistavasta riippumatta prosessi vaatii silti enemmän energiaa kuin se palauttaa. Mutta näiden tekniikan ja fysiikan ongelmien ratkaiseminen puhtaan energian tuottamiseksi, vaikka se olisikin uskomattoman vaikeaa, on yksi ihmiskunnan suurimmista saavutuksista.
Lue lisää
Ensimmäinen tarkka maailmankartta luotiin. Mitä vikaa kaikilla muilla on?
Salaukseen käytettiin ihmisen käsien infrapunasäteilyä
Uranus on saanut aurinkokunnan omituisimman planeetan tilan. Miksi?
Torus (toroidi) - on tilavuusmuoto, joka syntyy renkaan pyörimisestä pyörimiskeskipisteen ympäri. Karkeita esimerkkejä toruksesta olisi donitsi, säkki tai pyörästä poistettu polkupyörän putki.