Mi az a magfúzió?
A nukleáris fúzió (ebben az esetben a nukleáris fúzió) reakció
A modern asztrofizikai szerintelképzelések szerint a Nap és más csillagok fő energiaforrása a mélységükben bekövetkező termonukleáris fúzió. Földi körülmények között hidrogénbomba robbanásával hajtják végre. A termonukleáris fúzióval a reaktánsok tömegére jutó hatalmas energia felszabadulás jár (körülbelül 10 milliószor nagyobb, mint a kémiai reakcióknál). Ezért nagyon érdekes elsajátítani ezt a folyamatot, és ennek alapján létrehozni egy olcsó és környezetbarát energiaforrást. Annak ellenére, hogy számos fejlett országban nagy tudományos és technikai csoportok vesznek részt az ellenőrzött termonukleáris fúzió (CTF) kutatásában, még mindig sok összetett problémát kell megoldani, mielőtt a termonukleáris energia ipari termelése valósággá válna.
A hasadási folyamatot alkalmazó modern atomerőművek csak részben elégítik ki a világ villamosenergia-igényét.Ezeket a természetben előforduló urán és tórium radioaktív elemek táplálják, amelyek bősége és tartalékai a természetben nagyon korlátozottak; Ezért sok országban van egyA fúziós üzemanyag fő összetevője a hidrogén izotópja, a deutérium, amely a tengervízben található.Tartalékai nyilvánosan hozzáférhetők és nagyon nagyok (a Világóceán a Föld felszínének ~71% -át borítja, és a deutérium a vizet alkotó hidrogénatomok teljes számának körülbelül 0, 016% -át teszi ki).
Az üzemanyag rendelkezésre állása mellett a termonukleáris energiaforrásoknak az alábbi fontos előnyei vannak az atomerőművekkel szemben:
- a CTS reaktor sokkal kevesebb radioaktív anyagot tartalmaz, mint egy maghasadásos reaktor, ezért a radioaktív termékek véletlenszerű kibocsátásának következményei kevésbé veszélyesek;
- a termonukleáris reakciók kevesebb hosszú élettartamú radioaktív hulladékot termelnek;
- A TCB lehetővé teszi a villamos energia közvetlen előállítását.
A fúziós reakció sikeres végrehajtása az alkalmazott atommagok tulajdonságaitól és a reakció megindításához szükséges sűrű, magas hőmérsékletű plazma előállításának lehetőségétől függ.
Hogyan szabadul fel az energia a fúzió során?
A magfúzió során az energia felszabadulása annak köszönhetőrendkívül intenzív vonzerő hat a mag belsejében; ezek az erők összetartják a magot alkotó protonokat és neutronokat. Nagyon intenzívek és a távolsággal rendkívül gyorsan bomlanak. Ezen erők mellett a pozitív töltésű protonok elektrosztatikus taszító erőket hoznak létre. Az elektrosztatikus erők hatássugara sokkal nagyobb, mint a nukleáris erőké, ezért akkor kezdenek érvényesülni, amikor a magokat eltávolítják egymástól.
Normál körülmények között az atommagok kinetikus energiájaa könnyű atomok túl kicsiek ahhoz, hogy leküzdjék az elektrosztatikus taszítást, megközelíthetnék és beleakadhatnak egy atomreakcióba. Az taszítást azonban "durva" erővel lehet legyőzni, például nagy relatív sebességű magok ütközésével.
Miért csinálják a tudósok a magfúziót?
A hőmagot fejlesztő kutatókegy reaktor, amely több energiát képes előállítani, mint amennyit elfogyaszt, egy újabb munka sorozatában megmutatta, hogy terveiknek működniük kell, visszaadva azt az optimizmust, hogy ez a tiszta, határtalan energiaforrás segít enyhíteni az éghajlati válságot.
Massachusettsi kutatók egy csoportjaA Műszaki Intézet (MIT) és más intézetek kijelentik, hogy a kompakt SPARC fúziós reaktor a valóságban is működik. Legalábbis elméletileg, amint azt a közelmúltban publikált tanulmányok sorozatában állítják.
A csapat felhívja a figyelmet arra, hogy a tervezési szakaszokban nemnem találtak váratlan akadályokat vagy meglepetéseket. Ezt állítja hét cikk, amelyet 47 különböző kutatóintézet 47 kutatója írt.
Bár az új reaktor még mindig a fejlesztés korai szakaszában van, a tudósok remélik, hogy az évtized végére képes leszMartin Greenwald, a projekt egyik vezető tudósa elmondta a The Guardiannek, hogy az ambiciózus ütemterv egyik fő motivációja az energiaigény kielégítése a melegedő környezetben."A fúzió tűnik az egyik lehetséges megoldásnak a fenyegető éghajlati katasztrófából való kilábaláshoz" - mondta .
Mi a probléma a fúzióval és hogyan segíthet a bolygón?
A magfúzió, egy fizikai folyamat, amelya napunk áramellátása akkor fordul elő, amikor az atomok rendkívül magas hőmérsékleten és nyomáson ütköznek össze, ami miatt hatalmas mennyiségű energiát szabadítanak fel a nehezebb atomokkal összeolvadva.
Amióta a múlt században először felfedezték, a tudósok arra törekedtek, hogy kihasználják a nukleáris fúziót, az energia rendkívül sűrű formáját, amelynek üzemanyaga - hidrogénizotópok - bőséges és feltöltődik.Ezenkívül a fúzió nem termel üvegházhatású gázokat vagy szenet , és az atommaghasadással működő reaktorokkal ellentétben nem olvadásveszély.
Az atomenergia ezen formájának felhasználása azonban rendkívül nehéznek bizonyult, mivel a "szubatomi részecskék levesét" – a plazmát – több százmillió fokra kellett hevíteni ahhoz, hogy bármilyen tartályt ellenálljon .Ennek megkerülésére a tudósok kifejlesztettek egy fánk alakú kamerát, amelyen erős mágneses mező halad át, amelyet tokamaknak neveznek , amelyplazma a helyén .
Mit fejlesztenek már?
Massachusettsi Műszaki Intézet tudósaiés a leányvállalat, a Commonwealth Fusion Systems még 2018 elején megkezdte egy új, elődeinél kompaktabb reaktor tervezését, amelynek építése a jövő év első felében kezdődik. Ha ütemtervük a tervek szerint alakul, a Sparc nevű reaktor 2030-ig képes villamos energiát termelni a hálózat számára - állítják a kutatók és a cég tisztviselői. Ez sokkal gyorsabb lesz, mint a jelenlegi fúziós energiával kapcsolatos kezdeményezések.
A jelenlegi reaktortervek túl nagyokés utak, amelyek ténylegesen villamos energiát termelnek a fogyasztók számára. A legmodernebb, rendkívül erős mágnesek felhasználásával az MIT és a Commonwealth Fusion csapata egy kompakt, hatékony és méretezhető tokamak reaktor létrehozását reméli. „Valójában a meglévő tudományt új anyagokkal kombináltuk, hogy óriási új lehetőségek nyíljanak meg” – mondta Greenwald.
Miután bemutatta, hogy a Sparc készülékelméletileg több energiát tud előállítani, mint amennyi a működéshez szükséges, a szeptemberben megjelent kutatási cikkekben a következő lépés egy reaktor, majd egy kísérleti erőmű megépítése, amely villamos energiát termel a hálózaton.
A magfúzió minden előnye és hátránya
A tudósok és a vállalkozók régóta ígérték ezta termonukleáris fúzió a sarkon van, de leküzdhetetlen problémákkal szembesült. Ez vonakodást okozott a beruházásokhoz, különösen, mivel a szél-, nap- és egyéb megújuló energiaforrások, bár kevésbé erőteljesek, mint a fúzió, hatékonyabbá és költséghatékonyabbá váltak.
De a helyzet változik.Biden 2 billió dolláros tervében a fejlett nukleáris technológiát a dekarbonizációs stratégia részének nevezte. A demokraták 1972 óta először támogatják az atomenergiát. Jelentős beruházások érkeznek magánforrásokból is, köztük néhány nagy olaj- és gázipari vállalatból, amelyek a fúziót jobb hosszú távú támasznak tekintik, mint a szél és a nap.
Bob Mumgaard ügyvezető szerintA Commonwealth Fusion igazgatója szerint nem az a cél, hogy a fúziót a nap- és szélenergia helyettesítésére, hanem azok kiegészítésére használják fel. „Vannak dolgok, amelyeket nehéz lesz megcsinálni önmagában a megújuló energiával, ipari méretekben, mint például a nagyvárosok energiaellátása vagy a gyártás” – mondta. "Itt jól jöhet a szintézis."
A plazmaközösség egészében lelkes a Sparc haladásáért, bár egyesek megkérdőjelezik az ambiciózus ütemtervet, amely technikai és szabályozási akadályokat jelent.
Daniel Jessby, 25 éves tudományos kutatása Princetoni Plazmafizikai Laboratórium munkatársa szkeptikus abban, hogy a SPARC-hez hasonló fúziós reaktor valaha is alternatív energiaforrássá válhat-e. A trícium, a hidrogén egyik izotópja, amelyet a Sparc üzemanyagként fog használni, nem fordul elő a természetben, és elő kell állítani - mondta.
Massachusettsi Technológiai CsapatAz intézet feltételezi, hogy ezt az anyagot maga a szintézisreakció fogja folyamatosan regenerálni. De Jessby úgy véli, hogy ehhez hatalmas mennyiségű áramra lesz szükség, ami a reaktort megfizethetetlenül drágává teszi. "Ha úgy gondolja, hogy ingyen kapunk nap- és szélenergiát, ostobaság lenne a fúziós reakciókra hagyatkozni" - zárja.
Olvass tovább
Kutatás: az emberek nem lesznek képesek irányítani a szuperintelligens AI gépeket
Abortusz és tudomány: mi lesz a gyerekekkel, akik szülni fognak
Nézze meg a Hubble legszebb képeit. Mit látott a távcső 30 év alatt?