Sintesi e fissione: qual è la differenza?
Fusione e fissione sono processi diversi per la produzione di energia nucleare.
Questa energia prodotta dal nuclearefissione, viene catturata all'interno dei reattori e utilizzata per riscaldare l'acqua in vapore, che fa girare una turbina e genera elettricità. Ma questo processo crea scorie che possono rimanere radioattive per milioni di anni. La situazione nei reattori di Fukushima e Chernobyl ha mostrato come potrebbe andare a finire.
D'altra parte, la fusione termonucleare non porteràalla formazione di scorie nucleari a lungo termine e i materiali necessari possono essere riciclati entro 100 anni. Inoltre non c'è pericolo di incidente, perché il processo si basa su reazioni ad alta temperatura che si interrompono in pochi secondi in caso di malfunzionamento dell'apparecchiatura. E poiché queste reazioni utilizzano una quantità relativamente piccola di carburante, non c'è pericolo di usarle per produrre armi nucleari.
Nel campo della ricerca sulla fusione nucleare, ci sonoscienziati che lottano per un obiettivo: ricreare i processi che il Sole stesso utilizza per produrre enormi quantità di energia. Enormi forze gravitazionali intrappolano l'idrogeno dall'atmosfera solare e utilizzano calore e pressione intensi per convertire il gas in plasma. In esso, i nuclei si scontrano ad alta velocità, formando elio e rilasciando energia.
Un altro fattore chiave è la gravità.Le colossali forze gravitazionali del Sole sono circa 28 volte maggiori di quelle presenti sulla Terra. Gli scienziati hanno dovuto essere creativi nel limitare il combustibile per le reazioni di fusione nucleare. L’approccio più preferito allo stato attuale è quello di utilizzare campi magnetici, che possono essere utilizzati per trattenere due forme pesanti di idrogeno, deuterio e trizio, in un dispositivo chiamato tokamak.
Tokamak: grandi speranze
La parola “tokamak” in sé non è nullanon denota è solo un'abbreviazione, che in seguito divenne una parola a tutti gli effetti. Viene utilizzato non solo in Russia, ma anche all'estero, poiché è stato nel nostro paese che questa cosa è stata inventata ed è qui che si sono sviluppati attivamente per molto tempo.
Tokamak è una camera toroidale con bobine magnetiche. È tutto.
L'essenza di un tokamak si riduce alla creazionecampo magnetico in cui avverrà la reazione di fusione termonucleare. Poiché la temperatura di una tale reazione non è solo elevata, ma letteralmente proibitiva (diversi milioni di gradi Celsius), non può essere effettuata semplicemente all'interno di una qualche tipo di camera: si scioglierà molto prima che venga raggiunta la temperatura operativa.
Questa temperatura è raggiunta a causa del fatto cheAll'interno del tokamak, la sostanza si trova al quarto stato di aggregazione, che si raggiunge a temperature così elevate. Questo stato è chiamato plasma. Sulla Terra il plasma nell'ambiente naturale si trova solo nei fulmini e nell'aurora boreale, nello spazio è composto letteralmente da tutto: stelle, nebulose, spazio interstellare.
All'interno dell'edificio che ospiterà il più grande reattore tokamak del mondo.
Il primo a proporre l'uso del termonuclearesintesi, anche per scopi industriali, fu il fisico sovietico O.A. Lavrentiev. Lo ha fatto nel suo lavoro del 1950. Fu con il suo lavoro che iniziò lo studio dei modi per utilizzare la fusione termonucleare.
Un anno dopo, altri fisici, A.D.Sakharov e I.E. Tamm - sviluppò l'idea e disse che la reazione termonucleare avrebbe dovuto essere mantenuta all'interno di una camera toroidale chiusa. Per creare un campo magnetico all'interno del tokamak, questo è costituito da sezioni con bobine avvolte al loro interno. Poiché percorrono l'intera lunghezza della camera e creano qualcosa di simile a un tunnel chiuso, il campo magnetico risultante è chiamato toroidale. Questa è l'area di lavoro dell'installazione.
All'interno del China Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST).
Quando la camera è piena, creaun campo elettrico a vortice che mantiene il plasma all'interno della camera, e allo stesso tempo lo riscalda, portandolo alla stessa temperatura di diversi milioni di gradi.
Poiché il campo e il riscaldamento vengono creati a causa di aumentando la corrente nell'induttore, ma non può aumentare indefinitamente, la durata del plasma in uno stato stabile non supera ancora diversi secondi. Questa è la ragione principale per cui non possiamo ancora utilizzare i tokamak come fonte di produzione energetica industriale. Esistono modi per risolvere questo problema, compreso l'uso delle radiazioni a microonde, ma finora il lavoro in questa direzione è ancora in corso.
Molte persone lavorano per raggiungere questo obiettivoobiettivi, nutrono grandi speranze per il dispositivo di prossima generazione attualmente in costruzione. ITER, o Reattore Sperimentale Termonucleare Internazionale, è uno dei progetti energetici più ambiziosi che l'umanità abbia mai intrapreso, coinvolgendo scienziati e ingegneri provenienti da 35 paesi. Una volta completato, nel 2025, sarà il più grande dispositivo di fusione nucleare del mondo.
Sebbene la maggior parte delle ambizioni dell'umanitànel campo della fusione nucleare associata a ITER esistono altre interessanti opportunità. Compreso un altro reattore termonucleare a confinamento magnetico: uno stellarator.
Stellator - imitando una stella
Come i tokamak, gli stellarator sono progettati perContenente flussi di plasma in una camera chiusa che utilizza bobine magnetiche, ma con alcune differenze fondamentali. Invece di una bella forma a ciambella simmetrica, lo stellarator invia il plasma in cerchi irregolari che ruotano e ruotano utilizzando una serie incredibilmente complessa di bobine magnetiche. Ciò sembra controintuitivo, ma in realtà crea una maggiore stabilità nel plasma a causa delle differenze nella corrente interna, scrive New Atlas.
Di per sé, uno stellarator è un tipo di reattore perimplementazione della fusione termonucleare controllata. Il nome deriva dal lat. stella - stella, indica la somiglianza dei processi che avvengono nello stellarator e all'interno delle stelle. Inventato dal fisico americano L. Spitzer nel 1950, il primo prototipo fu costruito sotto la sua guida l'anno successivo come parte del progetto segreto Matterhorn.
Wendelstein 7-X (W7-X) - sperimentaleinstallazione per la ricerca di plasma ad alta temperatura, situata nella città di Greifswald in Germania. La sua costruzione è stata eseguita dal Max Planck Institute for Plasma Physics dal 2005 al 2014. Lo scopo della struttura è quello di testare l'idoneità industriale di un reattore a fusione di tipo stellarator, nonché di ricercare e migliorare i componenti tecnici e le tecnologie nel campo della fusione termonucleare controllata.
In tali reattori a fusionela camera toroidale ha una forma complessa e sinuosa, così come i campi magnetici che si creano attorno ad essa. Questo design insolito, secondo la teoria, aiuta tali reattori a funzionare in modalità continua, consumando molta meno energia rispetto ai reattori “pari” convenzionali. reattori di tipo tokamak. Inoltre, la complessa configurazione del campo magnetico consente di contenere in modo affidabile il plasma ad alta temperatura, riducendo il rischio di contatto con le pareti interne della camera del reattore. Tuttavia, tali vantaggi hanno un prezzo, che risiede nella complessità della progettazione e della produzione del reattore stesso.
Nel dicembre 2017, W7-X ha completato il suo secondofase di esperimenti in cui sono stati utilizzati sistemi di riscaldamento e misurazione del plasma migliorati. L'elemento principale testato nella seconda fase è stato il sistema di rimozione del calore, il cui funzionamento non dovrebbe influire sul cavo al plasma. Questo strumento è costituito da una catena di magneti che formano campi magnetici complessi, facendo passare il plasma vicino a 10 piastre dissipatrici di calore. Qualsiasi deviazione dei campi magnetici comporta una deflessione del cordone al plasma, che porta al surriscaldamento delle piastre e ad un eccessivo raffreddamento e distruzione del cordone al plasma.
Il funzionamento degli elettromagneti, che creano un campo magnetico, è controllato da un complesso sistema di controllo che utilizza molti feedback.
Dal momento che gli stellarator non richiedono così tantocorrente interna e offrono intrinsecamente una maggiore stabilità rispetto ai tokamak, Hole afferma che potrebbero essere più adatti per alimentare la rete. Ma questo a condizione che l'infrastruttura incredibilmente complessa possa essere costruita in modo economico e con gli stessi vincoli, cosa che non è nella sua forma attuale.
La ritenzione inerziale è un approccio radicale
Oltre alla regione di confinamento magnetico,altri approcci alla fusione nucleare che rientrano nel cosiddetto confinamento inerziale. La fusione termonucleare controllata inerziale è uno dei tipi di fusione termonucleare, in cui il combustibile termonucleare è trattenuto dalle proprie forze inerziali. L'idea è di riscaldare rapidamente e in modo uniforme il combustibile termonucleare, in modo che il plasma risultante abbia il tempo di reagire prima di disperdersi. Pertanto, quando si utilizza questo principio, il reattore verrà pulsato. Questa nuova linea di ricerca sulla fusione nucleare prevede l'uso di raggi laser o ionici mirati in modo molto preciso per riscaldare rapidamente un pellet di combustibile che sarà composto da deuterio e trizio.
L'idea è che l'impatto su questipellet di combustibile un riscaldamento così improvviso e violento provocherà enormi forze di compressione che innescheranno una reazione a catena attraverso gli strati di materiale in cui può avvenire la fusione nucleare, rilasciando enormi quantità di energia. HB11 Energy, con sede in Australia, sta cercando di eliminare la tradizionale ricetta del deuterio e del trizio a favore di un approccio non radioattivo che includa idrogeno e boro-b11.
Piccolo pellet di combustibile idrogeno boroposto in una grande sfera e colpito da due laser contemporaneamente per innescare una reazione di fusione che genera direttamente elettricità senza l'ausilio di turbine a vapore.
L’azienda afferma di evitare molti problemi,che persegue la fusione nucleare da decenni, in gran parte perché non tenta di riscaldare il suo combustibile a temperature follemente elevate. Espone le sue palline di combustibile a due laser, uno per creare un campo di confinamento magnetico e il secondo per innescare una reazione a catena di fusione di idrogeno e boro che crea particelle che possono a loro volta generare una corrente elettrica.
Secondo gli esperti, questa corrente può essere quasidirettamente al sistema elettrico esistente. Non ci sarebbe bisogno di un generatore a turbina a vapore o di uno scambiatore di calore, e non ci sarebbe il rischio di fusione. Il team è molto ottimista riguardo alla sua tecnologia e afferma che i suoi esperimenti mostrano velocità di reazione un miliardo di volte migliori del previsto e ritiene che il suo piano di sviluppo sarà molto più rapido ed economico rispetto ad altri approcci.
L'energia che viene rilasciata come risultato di talereazione, è in grado di riscaldare il combustibile circostante e, se la temperatura è sufficientemente alta, può anche avviare una reazione termonucleare. Lo scopo di tali installazioni è la capacità di ottenere una "combustione" termonucleare, quando il processo di rilascio del calore provoca una reazione di collegamento che interessa una parte significativa del combustibile. Una tipica palla di carburante ha le dimensioni di una capocchia di spillo e contiene circa 10 milligrammi di carburante. In pratica, solo una piccola frazione di questo carburante può essere utilizzata in una reazione termonucleare, ma se viene utilizzato tutto questo carburante, rilascerà energia equivalente a bruciare un barile di petrolio.
“Questa è una scienza interessante”, ha detto Matthew Houle,esperto di fusione nucleare e ricercatore dell'Australian National University che ha familiarità con HB11 e ricercatori che lavorano al progetto presso New Atlas - Ma non direi che ci sono prove convincenti che si potrebbe trasformarlo in una centrale elettrica su un scala più veloce di ITER o del confinamento magnetico toroidale."
Secondo Houle, il problema principale è proprio questoapprocci è che queste reazioni si verificano in un batter d'occhio. Affinché la tecnologia possa essere applicata a una centrale elettrica pratica, deve evolversi da reazioni una tantum a breve termine a qualcosa che produca una fornitura costante di energia, come un fuoco ardente.
Z-pizzico - cavallo scuro
Un altro interessante esempio di approccio inerzialeIl confinamento nella fusione nucleare è il pizzico a Z. Nella ricerca sull'energia da fusione, è un tipo di sistema di confinamento del plasma che utilizza una corrente elettrica nel plasma per creare un campo magnetico che lo comprime.
In altre parole, invece di usarebobine magnetiche grandi e complesse per mantenere in posizione i flussi di plasma, un approccio che utilizza un campo elettromagnetico generato all’interno del plasma stesso. Possiamo dire che questo è il cavallo oscuro nella corsa alla fusione nucleare. Fin dalla sua nascita negli anni ’50, l’effetto pizzico ha promesso una configurazione più semplice rispetto ai tokamak o agli stellarator. Ma come questi dispositivi, anche soggetto a instabilità nel plasma che si estende oltre le linee del campo magnetico.
Sistema di ritenzione Z-pizzico presso l'Università di Washington
Gli scienziati dell'Università di Washington hanno ideatoun modo per appianare questi rigonfiamenti è regolare l'idrodinamica del plasma. Sebbene sia una soluzione promettente al problema energetico, come l'approccio laser HB11, Z-pinch deve ancora affrontare sfide importanti quando si tratta di fornire potenza continua. Il problema è che è anche di natura impulsiva.
Qual è la linea di fondo?
ITER, confinamento magnetico toroidalee il design tokamak sono di gran lunga i più avanzati. Tuttavia, i ricercatori sulla fusione nucleare utilizzano approcci diversi, ciascuno con i propri vantaggi e svantaggi. Sfortunatamente, indipendentemente dall’approccio, il processo richiede comunque più energia di quanta ne restituisce. Ma risolvere questi problemi di ingegneria e fisica per produrre energia pulita, per quanto incredibilmente difficile, sarà uno dei più grandi successi dell’umanità.
Leggi di più
È stata creata la prima mappa accurata del mondo. Cosa c'è di sbagliato in tutti gli altri?
La radiazione infrarossa dalle mani umane è stata utilizzata per la crittografia
Urano ha ricevuto lo status di pianeta più strano del sistema solare. Perché?
Torus (toroid) - è un volumetricola forma risultante dalla rotazione dell'anello attorno al centro di rotazione. Esempi approssimativi di un toroide sarebbero una ciambella, un bagel o un tubo di bicicletta rimosso da una ruota.