Szintézis és hasadás: mi a különbség?
A fúzió és a hasadás különböző folyamatok az atomenergia előállításában.
Ez az atom által termelt energiahasadás, a reaktorok belsejében található és a vizet gőzgé melegítik, ami turbinát fordít és áramot termel. De ez a folyamat olyan hulladékot hoz létre, amely éveken keresztül radioaktív maradhat. A fukusimai és a csernobili reaktorok helyzete megmutatta, hogyan alakulhat ez.
Másrészt a termonukleáris fúzió nem vezethosszú távú nukleáris hulladék keletkezéséig, és a szükséges anyagok 100 éven belül újrafeldolgozhatók. Balesetveszély sem áll fenn, mert a folyamat magas hőmérsékletű reakciókon alapul, amelyek néhány másodperc alatt leállnak, ha a berendezés meghibásodik. És mivel ezek a reakciók viszonylag kis mennyiségű üzemanyagot használnak fel, nincs veszély arra, hogy atomfegyverek előállítására használják őket.
A magfúziós kutatás területén vannaktudósok, akik egy célra törekszenek - újrateremteni azokat a folyamatokat, amelyeket a Nap maga használ hatalmas mennyiségű energia előállításához. Óriási gravitációs erők fogják el a hidrogént a nap légköréből, és intenzív hő és nyomás segítségével alakítják a gázt plazmává. Ebben az atommagok nagy sebességgel ütköznek, héliumot képeznek és energiát szabadítanak fel.
Egy másik kulcsfontosságú tényező a gravitáció.A Nap kolosszális gravitációs ereje körülbelül 28-szor nagyobb, mint itt a Földön. A tudósoknak kreatívnak kellett lenniük a magfúziós reakciók tüzelőanyagának korlátozásában. Jelenlegi állapotában a legelőnyösebb megközelítés a mágneses mezők használata, amelyek segítségével a hidrogén két nehéz formája, a deutérium és a trícium tartható egy tokamak nevű eszközben.
Tokamak - nagy remények
Maga a „tokamak” szó semminem jelöli csak egy rövidítés, amely később teljes értékű szóvá vált. Nemcsak Oroszországban, hanem külföldön is használják, mivel hazánkban találták fel ezt a dolgot, és itt hosszú ideig aktívan fejlődtek.
A Tokamak egy toroid kamra mágneses tekercsekkel. Ez minden.
A tokamak lényege az alkotásban rejlikmágneses mező, amelyben a termonukleáris fúziós reakció végbemegy. Mivel egy ilyen reakció hőmérséklete nem csak magas, hanem szó szerint túl magas (több millió Celsius-fok), nem lehet egyszerűen valamiféle kamrában végrehajtani – jóval az üzemi hőmérséklet elérése előtt megolvad.
Ezt a hőmérsékletet annak a ténynek köszönhetjük, hogyA tokamak belsejében az anyag az aggregáció negyedik állapotában van, ami ilyen magas hőmérsékleten érhető el. Ezt az állapotot plazmának nevezik. A Földön a természetes környezetben a plazma csak a villámlásban és az északi fényben található, az űrben szó szerint minden ebből áll - csillagok, ködök, csillagközi tér.
A világ legnagyobb tokamak reaktorának helyet adó épület belsejében.
Elsőként javasolják a termonukleáris alkalmazástszintézist, beleértve ipari célokra is, a szovjet fizikus O.A. Lavrentyev. Ezt 1950-es munkájában tette. Munkájával megkezdődött a termonukleáris fúzió alkalmazásának tanulmányozása.
Egy évvel később más fizikusok – Kr. e.Szaharov és I.E. Tamm – kidolgozta az ötletet, és azt mondta, hogy a termonukleáris reakciót zárt toroid kamrában kell fenntartani. A tokamak belsejében mágneses mező létrehozásához az olyan részekből áll, amelyekbe tekercsek vannak feltekerve. Mivel a kamra teljes hosszában futnak, és valami zárt alagutat hoznak létre, az így létrejövő mágneses teret toroidálisnak nevezik. Ez a telepítés munkaterülete.
A kínai kísérleti fejlett szupravezető tokamak (EAST) belsejében.
Amikor a kamra megtelik, létrehozörvény elektromos tér, amely a plazmát a kamrában tartja, és egyben fel is melegíti, több millió fokos hőmérsékletre hozva azt.
Mivel a mező és a fűtés a növelve az induktor áramát, de nem növekedhet a végtelenségig, a plazma élettartama stabil állapotban még nem haladja meg a néhány másodpercet. Ez a fő oka annak, hogy még nem használhatjuk a tokamakat ipari energiatermelés forrásaként. Vannak módok a probléma megoldására, beleértve a mikrohullámú sugárzást is, de ez idáig még folyamatban van ez az irányú munka.
Sokan dolgoznak ennek érdekébennagy reményeket fűz a jelenleg építés alatt álló következő generációs készülékhez. Az ITER vagy a Nemzetközi Termonukleáris Kísérleti Reaktor az egyik legambiciózusabb energetikai projekt, amelyet az emberiség valaha is vállalt, 35 ország tudósai és mérnökei bevonásával. 2025-ben elkészülve a világ legnagyobb magfúziós eszköze lesz.
Bár az emberiség ambícióinak nagy részeaz ITER-hez kapcsolódó magfúzió területén további izgalmas lehetőségek rejlenek. Beleértve egy másik, mágneses elzárással ellátott termonukleáris reaktort - egy sztellarátort.
Stellator - csillag utánzása
A tokamakokhoz hasonlóan a sztellarátorokat is arra terveztékPlazmaáramokat tartalmaz zárt kamrában, mágnestekercsekkel, de néhány lényeges különbséggel. A szép, szimmetrikus fánkforma helyett a sztellarátor szabálytalan körökbe küldi a plazmát, amelyek egy hihetetlenül összetett mágnestekercs-sorozat segítségével forognak és forognak. Ez ellentétesnek tűnik, de valójában nagyobb stabilitást hoz létre a plazmában a belső áramkülönbségek miatt – írja a New Atlas.
A stellarátor önmagában egyfajta reaktorellenőrzött termonukleáris fúzió megvalósítása. A név latból származik. stella - csillag, a csillagképben és a csillagok belsejében zajló folyamatok hasonlóságát jelzi. L. Spitzer amerikai fizikus találta ki 1950-ben, és az első prototípust az ő vezetésével építették fel a következő évben a titkos Matterhorn projekt részeként.
Wendelstein 7-X (W7-X) - kísérletitelepítés magas hőmérsékletű plazma kutatásához, a németországi Greifswald városában található. Építését a Max Planck Plazmafizikai Intézet végezte 2005 és 2014 között. A létesítmény célja egy sztellarátor típusú fúziós reaktor ipari alkalmasságának tesztelése, valamint az ellenőrzött termonukleáris fúzió területén végzett műszaki alkatrészek és technológiák kutatása és fejlesztése.
Az ilyen fúziós reaktorokbana toroid kamra összetett, kanyargós alakú, akárcsak a körülötte létrehozott mágneses mezők. Ez a szokatlan kialakítás az elmélet szerint segíti az ilyen reaktorok folyamatos működését, sokkal kevesebb energiát költve, mint a hagyományos „egyenletes” reaktorok. tokamak típusú reaktorok. Ezenkívül a mágneses tér összetett konfigurációja lehetővé teszi a magas hőmérsékletű plazma megbízható tárolását, ami csökkenti a reaktorkamra belső falaival való érintkezésének kockázatát. Az ilyen előnyöknek azonban ára van, ami magának a reaktornak a tervezésének és gyártásának bonyolultságában rejlik.
2017 decemberében a W7-X befejezte a másodikatkísérleti szakaszban, amelyben továbbfejlesztett plazmafűtési és mérőrendszereket alkalmaztak. A második szakaszban tesztelt fő elem a hőelvezető rendszer volt, amelynek működése nem befolyásolhatja a plazma vezetéket. Ez az eszköz mágnesek láncából áll, amelyek összetett mágneses mezőket alkotnak, így a plazma közel 10 hűtőborda lemezen halad át. A mágneses mezők bármilyen eltérése a plazmavezeték elhajlását vonja maga után, ami a lemezek túlmelegedéséhez, valamint a plazmavezeték túlzott lehűléséhez és tönkremeneteléhez vezet.
A mágneses teret létrehozó elektromágnesek működését egy komplex, sok visszacsatolást használó vezérlőrendszer vezérli.
Mivel a csillagképzők nem igényelnek annyitbelső áram és eredendően nagyobb stabilitást kínál, mint a tokamak, Hole szerint ezek alkalmasabbak lehetnek a hálózat táplálására. De ez azzal a feltétellel történik, hogy a hihetetlenül összetett infrastruktúrát olcsón és ugyanazokkal a megszorításokkal lehet megépíteni, ami a jelenlegi formájában nem így van.
Inerciális tartás – radikális megközelítés
A mágneses bezárási régió melletta magfúzió egyéb megközelítései, amelyek az úgynevezett tehetetlenségi korlátok közé tartoznak. Az inerciával vezérelt termonukleáris fúzió a termonukleáris fúzió egyik típusa, amelyben a termonukleáris üzemanyagot a saját tehetetlenségi erői tartják meg. Az ötlet az, hogy gyorsan és egyenletesen felmelegítsék a termonukleáris üzemanyagot, hogy a keletkező plazmának legyen ideje reagálni a szétszóródás előtt. Így ennek az elvnek az alkalmazásakor a reaktor impulzusos lesz. A magfúzió ezen új iránya nagyon pontosan megcélzott lézer- vagy ionnyalábok használatát jelenti a deutériumból és a tríciumból álló üzemanyag-pellet gyors felmelegítésére.
Az ötlet az, hogy ezekre gyakorolt hatásaz ilyen hirtelen és erőszakos fűtőelemek hatalmas nyomóerőket okoznak, amelyek láncreakciót indítanak azon anyagrétegeken keresztül, amelyekben magfúzió fordulhat elő, és hatalmas mennyiségű energiát szabadíthat fel. Az ausztráliai székhelyű HB11 Energy meg akarja szüntetni a hagyományos deutérium és trícium receptjét egy nem radioaktív megközelítés mellett, amely hidrogént és bór-b11-et tartalmaz.
Kis pellet hidrogén-bór üzemanyagegy nagy gömbbe helyezve két lézerrel egyidejűleg eltalálva fúziós reakciót váltanak ki, amely gőzturbinák használata nélkül közvetlenül áramot termel.
A vállalat azt állítja, hogy elkerüli a nukleáris fúziót évtizedek óta sújtó problémákat, nagyrészt azért, mert nem próbálja meg üzemanyagát őrülten magas hőmérsékletre melegíteni.Üzemanyag-pelletjeit két lézernek teszi ki, az egyik mágneses tartómezőt hoz létre, a másik pedig hidrogén-bór fúziós láncreakciót indít el, amelyrészecskék, amelyek viszont elektromos áramot generálhatnak.
A szakértők szerint ez az áram szinte közvetlenül a meglévő energiarendszerbe vezethető.Nem lenne szükség gőzturbinás generátorra vagy hőcserélőre, és nem állna fenn az olvadás veszélye. A reakciósebesség milliárdszor jobb az előre jelzettnél, és úgy vélik, hogy fejlesztési terve sokkal gyorsabb és olcsóbb, mint más megközelítések.
Az energia, amely felszabadul ilyen eredményekéntreakcióval képes felmelegíteni a környező üzemanyagot, és ha a hőmérséklet elég magas, akkor termonukleáris reakciót is elindíthat. Az ilyen létesítmények célja a termonukleáris "égés" elérésének képessége, amikor a hőfelszabadulás folyamata összekapcsolási reakciót vált ki, amely az üzemanyag jelentős részét érinti. Egy tipikus üzemanyaggömb akkora, mint a tűfej, és körülbelül 10 milligramm üzemanyagot tartalmaz. A gyakorlatban ennek az üzemanyagnak csak egy kis hányada használható fel termonukleáris reakcióban, de ha az összes üzemanyagot felhasználják, akkor egy hordó olaj elégetésével egyenértékű energiát szabadít fel.
„Ez egy érdekes tudomány” – mondta Matthew Houle.magfúziós szakértő és az Ausztrál Nemzeti Egyetem kutatója, aki ismeri a HB11-et, valamint a New Atlas projektjén dolgozó kutatók – de nem mondanám meggyőző bizonyíték arra, hogy erőművé lehetne építeni. gyorsabb léptékű, mint az ITER vagy a toroid mágneses elzárás."
Houle szerint a legfontosabb probléma az ilyenmegközelítés szerint ezek a reakciók egy szempillantás alatt következnek be. Ahhoz, hogy a technológiát egy gyakorlati erőműben alkalmazni lehessen, rövid távú, egyszeri reakciókból olyanná kell fejlődnie, amely állandó energiaellátást produkál, mint például az égő tűz.
Z-csipet - sötét ló
Egy másik érdekes példa az inerciális megközelítésreA magfúzióra való bezárás a Z-csípés. A fúziós energiakutatásban ez a plazmaelzáró rendszer egy olyan fajtája, amely a plazmában lévő elektromos áramot felhasználva olyan mágneses mezőt hoz létre, amely összenyomja azt.
Más szóval, ahelyett, hogy használnánknagy és összetett mágneses tekercsek a plazmafolyamok helyén tartására, egy olyan megközelítés, amely magában a plazmában generált elektromágneses teret használ. Azt mondhatjuk, hogy ez a sötét ló a magfúziós versenyben. Az 1950-es évekbeli megalakulása óta a csípőeffektus egyszerűbb konfigurációt ígér, mint a tokamak vagy a sztellarátor. De mint ezek az eszközök, ez is ki van téve a plazma instabilitásának, amely túlnyúlik a mágneses erővonalakon.
Z-csipet retenciós rendszer a Washingtoni Egyetemen
A washingtoni egyetem tudósai előálltaka dudorok kiegyenlítésének egyik módja a plazma hidrodinamikájának beállítása. Míg az energiaprobléma ígéretes megoldása, mint a HB11 lézeres megközelítés, a Z-csipet továbbra is komoly kihívásokkal néz szembe a folyamatos energiaellátás terén. A probléma az, hogy impulzív jellegű is.
Mi a lényeg?
ITER, toroid mágneses elzárásés a tokamak design messze a legfejlettebb. A magfúziós kutatók azonban különböző megközelítéseket alkalmaznak, mindegyiknek megvannak a maga előnyei és hátrányai. Sajnos a megközelítéstől függetlenül a folyamat több energiát igényel, mint amennyit visszaad. De ezeknek a mérnöki és fizikai problémáknak a megoldása tiszta energia előállítására, bármilyen hihetetlenül nehéz is, az emberiség egyik legnagyobb vívmánya lesz.
Olvass tovább
Létrehozták az első pontos világtérképet. Mi a baj mindenki mással?
Az emberi kéz infravörös sugárzását használták a titkosításhoz
Az Uránusz a Naprendszer legfurcsább bolygójának státuszát kapta. Miért?
Torus (toroid) - egy térfogata gyűrű forgási középpontja körüli elfordulásából adódó alak. A tórusz durva példái lehetnek a fánk, a bagel vagy a kerékről eltávolított kerékpárcső.