Sinteza i fisija: u čemu je razlika?
Fuzija i fisija su različiti procesi za proizvodnju nuklearne energije.
Ova energija proizvedena nuklearnom energijomfisije, hvata se unutar reaktora i koristi za zagrijavanje vode na paru koja okreće turbinu i generira električnu energiju. Ali ovaj postupak stvara otpad koji može ostati radioaktivan milijunima godina. Situacija u reaktorima u Fukušimi i Černobilu pokazala je kako bi se to moglo ispostaviti.
S druge strane, termonuklearna fuzija neće dovestistvaranju dugotrajnog nuklearnog otpada, a potrebni materijali mogu se reciklirati u roku od 100 godina. Također ne postoji opasnost od nesreće, jer se postupak temelji na reakcijama visoke temperature koje se zaustave u nekoliko sekundi ako oprema neispravno radi. A budući da ove reakcije koriste relativno malu količinu goriva, ne postoji opasnost od njihove upotrebe za proizvodnju nuklearnog oružja.
Na polju istraživanja nuklearne fuzije postojeznanstvenici koji teže jednom cilju - ponovno stvoriti procese koje samo Sunce koristi za proizvodnju ogromne količine energije. Ogromne gravitacijske sile hvataju vodik iz sunčeve atmosfere i koriste intenzivnu toplinu i pritisak da plin pretvore u plazmu. U njemu se jezgre sudaraju velikom brzinom, tvoreći helij i oslobađajući energiju.
Sunčeve kolosalne gravitacijske sile su oko 28 puta veće od onih ovdje na Zemlji.Znanstvenici su morali biti kreativni u ograničavanju goriva za reakcije nuklearne fuzije.Najpoželjniji pristup u sadašnjem obliku je korištenje magnetskih polja, koja se mogu koristiti za držanje dva teška oblika vodika, deuterija i tricija, u uređaju koji se naziva tokamak.
Tokamak - velike nade
Sama riječ "tokamak" nije ništane označava samo je kratica, koja je kasnije postala punopravna riječ. Koristi se ne samo u Rusiji, već iu inozemstvu, budući da je ova stvar izumljena u našoj zemlji i ovdje su se dugo aktivno razvijali.
Tokamak je toroidalna komora s magnetskim zavojnicama. to je sve
Suština tokamaka svodi se na stvaranjemagnetsko polje u kojem će se odvijati reakcija termonuklearne fuzije. Budući da temperatura takve reakcije nije samo visoka, nego doslovno previsoka (nekoliko milijuna Celzijevih stupnjeva), ona se ne može provesti jednostavno unutar neke vrste komore - rastopit će se mnogo prije nego što se dosegne radna temperatura.
Ova temperatura se postiže zahvaljujući činjenici daUnutar tokamaka tvar je u četvrtom agregatnom stanju koje se postiže na tako visokim temperaturama. Ovo stanje se naziva plazma, plazma se u prirodnom okruženju nalazi samo u munjama i sjevernom svjetlu, od nje se sastoji doslovno sve - zvijezde, maglice, međuzvjezdani prostor.
Unutar zgrade u kojoj će se nalaziti najveći svjetski reaktor za tokamak.
Prvi koji je predložio upotrebu termonuklearasinteze, uključujući u industrijske svrhe, bio je sovjetski fizičar O.A. Lavrentjev. To je učinio u svom radu iz 1950. Njegovim radom započelo je proučavanje načina korištenja termonuklearne fuzije.
Godinu dana kasnije, drugi fizičari-A.D.Saharov i I.E. Tamm—razvio je ideju i rekao da bi se termonuklearna reakcija trebala održavati unutar zatvorene toroidalne komore. Da bi se stvorilo magnetsko polje unutar tokamaka, ono se sastoji od dijelova sa zavojnicama namotanim unutar njih. Budući da se protežu cijelom dužinom komore i stvaraju nešto poput zatvorenog tunela, rezultirajuće magnetsko polje naziva se toroidnim. Ovo je radno područje instalacije.
Unutar kineskog eksperimentalnog naprednog superprovodnog tokamaka (EAST).
Kad je komora puna, stvaravrtložno električno polje koje održava plazmu unutar komore, a istovremeno je zagrijava dovodeći je na istu temperaturu od nekoliko milijuna stupnjeva.
Budući da polje i grijanje nastaju zbog povećavajući struju u induktoru, ali ne može neograničeno rasti, životni vijek plazme u stabilnom stanju još ne prelazi nekoliko sekundi. To je glavni razlog zašto još ne možemo koristiti tokamake kao izvor industrijske proizvodnje energije. Postoje načini za rješavanje ovog problema, uključujući korištenje mikrovalnog zračenja, ali do sada je rad u tom smjeru još uvijek u tijeku.
Mnogi ljudi rade na tome da to postignuciljeve, polažu velike nade u uređaj sljedeće generacije koji je trenutno u izradi. ITER, ili Međunarodni termonuklearni eksperimentalni reaktor, jedan je od najambicioznijih energetskih projekata koje je čovječanstvo ikada poduzelo, a koji uključuje znanstvenike i inženjere iz 35 zemalja. Kada bude dovršen 2025., bit će to najveći uređaj za nuklearnu fuziju na svijetu.
Iako većina ambicija čovječanstvau polju nuklearne fuzije povezane s ITER-om postoje i druge uzbudljive prilike. Uključujući još jedan termonuklearni reaktor s magnetskim ograničenjem - stelarator.
Stellator - oponaša zvijezdu
Poput tokamaka, stelaratori su dizajnirani daSadrži struje plazme u zatvorenoj komori pomoću magnetskih zavojnica, ali s nekim ključnim razlikama. Umjesto lijepog, simetričnog oblika krafne, stelarator šalje plazmu u nepravilne krugove koji se vrte i vrte pomoću nevjerojatno složenog niza magnetskih zavojnica. To se čini kontraintuitivnim, ali zapravo stvara veću stabilnost u plazmi zbog razlika u unutarnjoj struji, piše New Atlas.
Sama po sebi, stelarator je vrsta reaktora zaprovedba kontrolirane termonuklearne fuzije. Ime dolazi od lat. zvijezda zvijezda, ukazuje na sličnost procesa koji se događaju u zvijezdi i unutar zvijezda. Izumio ga je američki fizičar L. Spitzer 1950. godine, prvi je prototip izgrađen pod njegovim vodstvom sljedeće godine u sklopu tajnog projekta Matterhorn.
Wendelstein 7-X (W7-X) - eksperimentalniinstalacija za istraživanje visokotemperaturne plazme, smještena u gradu Greifswald u Njemačkoj. Njegovu izgradnju izvodio je Max Planck Institut za fiziku plazme od 2005. do 2014. godine. Svrha postrojenja je ispitati industrijsku prikladnost fuzijskog reaktora tipa stelarator, kao i istražiti i poboljšati tehničke komponente i tehnologije u području kontrolirane termonuklearne fuzije.
U takvim fuzijskim reaktorimatoroidalna komora ima složen, vijugav oblik, kao i magnetska polja stvorena oko nje. Ova neobična konstrukcija, prema teoriji, pomaže takvim reaktorima da rade u kontinuiranom načinu rada, trošeći mnogo manje energije od konvencionalnih "parnih" reaktora. reaktori tipa tokamak. Osim toga, složena konfiguracija magnetskog polja omogućuje pouzdano zadržavanje visokotemperaturne plazme, što smanjuje rizik od njezina kontakta s unutarnjim stijenkama reaktorske komore. Međutim, takve prednosti imaju svoju cijenu, koja leži u složenosti projektiranja i proizvodnje samog reaktora.
U prosincu 2017. W7-X je dovršio svoju drugufaza eksperimenata u kojima su korišteni poboljšani sustavi za zagrijavanje i mjerenje plazme. Glavni element koji je testiran u drugoj fazi bio je sustav za uklanjanje topline, čiji rad ne bi trebao utjecati na plazma kabel. Ovaj se alat sastoji od lanca magneta koji stvaraju složena magnetska polja, tjerajući plazmu da prođe blizu 10 ploča hladnjaka. Svako odstupanje magnetskih polja povlači za sobom otklon plazma vrpce, što dovodi do pregrijavanja ploča te prekomjernog hlađenja i uništenja plazma vrpce.
Radom elektromagneta koji stvaraju magnetsko polje upravlja složeni sustav upravljanja koji koristi mnoge povratne informacije.
Budući da zvezdači ne zahtijevaju tolikounutarnja struja i inherentno nude veću stabilnost od tokamaka, Hole kaže da bi oni mogli biti prikladniji za napajanje mreže. Ali to je pod uvjetom da se nevjerojatno složena infrastruktura može izgraditi na jeftin način i s istim ograničenjima, što u današnjem obliku nije slučaj.
Inercijsko zadržavanje je radikalan pristup
Uz područje magnetskog zatočenja,drugi pristupi nuklearnoj fuziji koji potpadaju pod takozvano inercijalno ograničenje. Inercijalno kontrolirana termonuklearna fuzija jedna je od vrsta termonuklearne fuzije, u kojoj se termonuklearno gorivo zadržava vlastitim inercijskim silama. Ideja je brzo i ravnomjerno zagrijavanje termonuklearnog goriva, tako da rezultirajuća plazma ima vremena reagirati prije raspršivanja. Dakle, kada se koristi ovaj princip, reaktor će biti impulsan. Ova nova linija istraživanja u nuklearnoj fuziji uključuje upotrebu vrlo precizno ciljanih laserskih ili ionskih zraka za brzo zagrijavanje gorivne pelete koja će se sastojati od deuterija i tricija.
Ideja je da utjecaj na njihpelete goriva, tako naglo i silovito zagrijavanje izazvat će ogromne tlačne sile koje pokreću lančanu reakciju kroz slojeve materijala u kojima se može dogoditi nuklearna fuzija, oslobađajući ogromne količine energije. Australijski HB11 Energy želi ukloniti tradicionalni recept za deuterij i tritij u korist neradioaktivnog pristupa koji uključuje vodik i bor-b11.
Mala kuglica goriva vodikovog borasmješteni u veliku kuglu i istodobno pogođeni s dva lasera kako bi se pokrenula fuzijska reakcija koja izravno stvara električnu energiju bez upotrebe parnih turbina.
Tvrtka tvrdi kako bi izbjegla mnoge probleme,koji su desetljećima težili nuklearnoj fuziji, uglavnom zato što ne pokušavaju zagrijati svoje gorivo na suludo visoke temperature. On izlaže svoje kuglice goriva dvama laserima, jednom za stvaranje magnetskog zatvorenog polja, a drugom za pokretanje lančane reakcije fuzije vodika i bora koja stvara čestice koje zauzvrat mogu generirati električnu struju.
Prema stručnjacima, ova struja može biti gotovoizravno na postojeći elektroenergetski sustav. Ne bi bilo potrebe za generatorom parne turbine ili izmjenjivačem topline i ne bi bilo opasnosti od taljenja. Tim je vrlo optimističan u pogledu svoje tehnologije i kaže da njeni eksperimenti pokazuju brzine reakcije milijardu puta bolje od predviđenih i vjeruje da će njihov razvojni plan biti puno brži i jeftiniji od drugih pristupa.
Energija koja se kao takva oslobađareakcije, sposoban je zagrijati okolno gorivo i, ako je temperatura dovoljno visoka, može započeti i termonuklearnu reakciju. Svrha takvih instalacija je sposobnost postizanja termonuklearnog "izgaranja", kada proces oslobađanja topline uzrokuje reakciju veze koja utječe na značajan dio goriva. Tipična kugla goriva veličine je glave pin-a i sadrži oko 10 miligrama goriva. U praksi se samo mali dio ovog goriva može upotrijebiti u termonuklearnoj reakciji, ali ako se iskoristi sve to gorivo, oslobodit će energiju ekvivalentnu izgaranju barela nafte.
“Ovo je zanimljiva znanost,” rekao je Matthew Houle,stručnjak za nuklearnu fuziju i istraživač Australskog nacionalnog sveučilišta upoznat s HB11 i istraživači koji rade na projektu u New Atlasu - Ali ne bih rekao bih da postoje uvjerljivi dokazi da ga možete pretvoriti u elektranu na brže mjerilo od ITER ili Toroidal Magnetic Confinement."
По словам Хоула, ключевая проблема таких подходов заключается в том, что эти реакции происходят в мгновение ока. Чтобы технология могла быть применена к практической электростанции, она должна перерасти от кратковременных разовых реакций к чему-то, что производит постоянный запас энергии, например, к горящему огню.
Z-pinch - tamni konj
Еще один интересный пример подхода с инерционным удержанием к ядерному синтезу — Z-пинч. В исследованиях термоядерной энергии он представляет собой тип системы удержания плазмы, который использует электрический ток в плазме для создания магнитного поля, которое сжимает ее.
Иными словами, вместо того, чтобы использовать большие и сложные магнитные катушки для удержания потоков плазмы на месте, такой подход использует электромагнитное поле, которое генерируется внутри самой плазмы. Можно сказать, что это — темная лошадка в гонке ядерного синтеза. С момента своего создания в 1950-х годах пинч-эффект обещает более простую конфигурацию, чем токамаки или стеллараторы. Но, как и эти устройства, он также подвержен нестабильности в плазме, которая выходит за пределы силовых линий магнитного поля.
Sustav zadržavanja Z-prstohvata na Sveučilištu Washington
Smislili su to znanstvenici sa Sveučilišta Washingtonnačin za izravnavanje tih izbočina je podešavanjem hidrodinamike plazme. Iako je obećavajuće rješenje energetskog problema, poput laserskog pristupa HB11, Z-pinch i dalje suočava s velikim izazovima kada je u pitanju isporuka kontinuirane snage. Problem je što je i impulzivne naravi.
Koji je zaključak?
ИТЭР, тороидальное магнитное удержание и конструкция токамака, безусловно, являются наиболее продвинутыми. Однако исследователи ядерного синтеза используют различные подходы, каждый со своими преимуществами и недостатками. К сожалению, независимо от подхода, процесс по-прежнему требует больше энергии, чем возвращает. Но решение этих инженерных и физических проблем для получения чистой энергии, каким бы невероятно сложным оно ни было, будет одним из величайших достижений человечества.
Čitaj više
Stvorena je prva točna karta svijeta. Što nije u redu sa svima ostalima?
Za šifriranje je korišteno infracrveno zračenje ljudskih ruku
Uran je dobio status najčudnijeg planeta u Sunčevom sustavu. Zašto?
Torus (toroid) - je volumetrijskioblik koji nastaje rotacijom prstena oko središta rotacije. Grubi primjeri torusa bili bi krafna, bagel ili biciklistička cijev uklonjena s kotača.