合成と核分裂：違いは何ですか？
核融合と核分裂は、核エネルギーを生成するための異なるプロセスです。
原子力によって生み出されるこのエネルギー核分裂は原子炉内で捕らえられ、水を蒸気に加熱するために使用されます。蒸気はタービンを回して電気を生成します。しかし、このプロセスは、何百万年もの間放射性を維持できる廃棄物を生み出します。福島とチェルノブイリの原子炉の状況は、これがどうなるかを示した。
一方、熱核融合は長期の核廃棄物の形成に、そして必要な材料は100年以内にリサイクルすることができます。また、装置が故障した場合に数秒で停止する高温反応に基づいているため、事故の危険性もありません。そして、これらの反応は比較的少量の燃料を使用するので、核兵器を製造するためにそれらを使用する危険はありません。
核融合研究の分野では、太陽自体が大量のエネルギーを生成するために使用するプロセスを再現するという1つの目標を目指して努力する科学者。巨大な重力が太陽の大気から水素を閉じ込め、強い熱と圧力を使ってガスをプラズマに変換します。その中で、原子核は高速で衝突し、ヘリウムを形成してエネルギーを放出します。
もう一つの重要な要素は重力です。太陽の巨大な重力は、地球上の約 28 倍です。科学者は核融合反応用の燃料を制限するために創造性を発揮する必要がありました。現時点で最も好ましいアプローチは、トカマクと呼ばれる装置内に重水素と三重水素の 2 つの重い形態を保持するために使用できる磁場を使用することです。
トカマク-高い期待
「トカマク」という言葉自体は何でもない「dis not denote 」は単なる略語であり、後に本格的な単語になりました。これが発明されたのは私たちの国であり、彼らが長い間積極的に開発したのはここだったため、ロシアだけでなく海外でも使用されています。
トカマクは磁気コイルを備えたトロイダルチャンバーです。それだけです。
トカマクの本質は、結局のところ、熱核融合反応が起こる磁場。このような反応の温度は単に高いだけでなく、文字通り法外な温度 (摂氏数百万度) であるため、ある種のチャンバー内で単純に実行することはできません。動作温度に達するずっと前に反応が溶けてしまいます。
この温度は次の理由により達成されます。トカマクの内部では、物質はこのような高温で達成される第 4 の凝集状態にあります。この状態はプラズマと呼ばれます。地球では、自然環境のプラズマは雷とオーロラの中にのみ存在します。宇宙では、星、星雲、星間空間など、文字通りすべてがプラズマで構成されています。
世界最大のトカマク原子炉を収容する建物の内部。
熱核の使用を最初に提案した産業目的を含む合成は、ソビエトの物理学者O.A. Lavrentyev。彼は1950年の仕事でこれを行いました。熱核融合の使い方の研究が始まったのは彼の仕事でした。
1 年後、他の物理学者、A.D.サハロフとI.E.タムはこのアイデアを発展させ、熱核反応は閉じたトロイダルチャンバー内で維持されるべきだと述べた。トカマク内部に磁場を生成するために、トカマクは内部にコイルが巻かれたセクションで構成されています。それらはチャンバーの全長に沿って走り、閉じたトンネルのようなものを作り出すため、結果として生じる磁場はトロイダルと呼ばれます。これはインストールの作業領域です。
中国の内部実験的高度超伝導トカマク（EAST）。
チャンバーが満杯になると、渦電場がチャンバー内のプラズマを維持し、同時にプラズマを加熱して数百万度の同じ温度にします。
フィールドと加熱は、 によって作成されるため、インダクタ内の電流は増加しますが、無制限に増加することはできません。安定状態でのプラズマの寿命はまだ数秒を超えません。これが、私たちが産業用エネルギー生産源としてトカマクをまだ使用できない主な理由です。この問題を解決するにはマイクロ波放射の使用などの方法がありますが、今のところこの方向への取り組みはまだ進行中です。
これを達成するために多くの人が取り組んでいます現在開発中の次世代デバイスに大きな期待を寄せています。 ITER (国際熱核融合実験炉) は、人類がこれまでに取り組んだ中で最も野心的なエネルギー プロジェクトの 1 つであり、35 か国の科学者や技術者が参加しています。 ２０２５年に完成すれば世界最大の核融合装置となる。
人類の野望のほとんどはITERに関連する核融合の分野には、他にも刺激的な機会があります。磁気閉じ込めを備えた別の熱核反応炉、ステラレーターが含まれます。
ステラレーター-星を模倣する
トカマクと同様に、ステラレーターは次のように設計されています。磁気コイルを使用して密閉チャンバー内にプラズマ流を閉じ込めますが、いくつかの重要な違いがあります。美しく対称的なドーナツ形状の代わりに、ステラレーターは、信じられないほど複雑な一連の磁気コイルを使用して回転する不規則な円の中にプラズマを送り出します。これは直感に反するように思えますが、実際には内部電流の違いによりプラズマの安定性が向上すると New Atlas は書いています。
ステラレーターは、それ自体が原子炉の一種です。制御された熱核融合の実施。名前は緯度から来ています。 stella-starは、ステラレーターと星の内部で発生するプロセスの類似性を示します。 1950年にアメリカの物理学者L.スピッツァーによって発明された最初のプロトタイプは、翌年、秘密のマターホーンプロジェクトの一環として彼のリーダーシップの下で製造されました。
ヴェンデルシュタイン7-X（W7-X）-実験的ドイツのグライフスヴァルト市にある高温プラズマ研究用の設備。その建設は、2005年から2014年までマックスプランクプラズマ物理学研究所によって実施されました。この施設の目的は、ステラレーター型核融合炉の産業的適合性をテストすること、および制御された熱核融合の分野における技術的コンポーネントと技術を研究および改善することです。
このような核融合炉ではトロイダルチャンバーは、その周囲に生成される磁場と同様に、複雑で曲がりくねった形状をしています。理論によれば、この珍しい設計は、そのような原子炉が連続モードで動作するのに役立ち、従来の「均一な」原子炉よりもはるかに少ないエネルギーを消費します。トカマク型原子炉。さらに、磁場の複雑な構成により、高温プラズマを確実に封じ込めることが可能となり、反応チャンバーの内壁との接触のリスクが軽減されます。しかし、そのような利点には代償が伴い、その代償として原子炉自体の設計と製造が複雑になります。
2017年12月、W7-Xは2台目完成改良されたプラズマ加熱および測定システムが使用された実験段階。第 2 段階でテストされた主な要素は熱除去システムであり、その動作がプラズマ コードに影響を与えるべきではありません。このツールは複雑な磁場を形成する一連の磁石で構成されており、プラズマが 10 枚近くのヒートシンク プレートを通過するように強制されます。磁場の偏向はプラズマ コードの偏向を伴い、プレートの過熱やプラズマ コードの過剰な冷却と破壊につながります。
磁場を生成する電磁石の働きは、多くのフィードバックを使用する複雑な制御システムによって制御されます。
ステラレーターはそれほど必要としないので内部電流は本質的にトカマクよりも優れた安定性を提供します、ホールはそれらがグリッドに電力を供給するのにより適しているかもしれないと言います。しかし、これは、信じられないほど複雑なインフラストラクチャを安価な方法で同じ制約で構築できることを条件としています。これは、現在の形式には当てはまりません。
慣性保持は抜本的なアプローチです
磁場閉じ込め領域に加えて、いわゆる慣性閉じ込めに該当する核融合への他のアプローチ。慣性制御された熱核融合は、熱核融合のタイプの1つであり、熱核燃料はそれ自体の慣性力によって保持されます。アイデアは、熱核燃料を迅速かつ均一に加熱して、結果として生じるプラズマが散乱する前に反応する時間を確保することです。したがって、この原理を使用すると、リアクターはパルス化されます。核融合のこの新しい研究ラインでは、非常に正確にターゲットを絞ったレーザーまたはイオンビームを使用して、重水素とトリチウムで構成される燃料ペレットを急速に加熱します。
アイデアは、これらへの影響はこのような突然の激しい加熱は、核融合が起こり得る材料の層を介して連鎖反応を引き起こし、膨大な量のエネルギーを放出する巨大な圧縮力を引き起こす燃料ペレットです。オーストラリアを拠点とするHB11Energyは、従来の重水素とトリチウムのレシピを廃止し、水素とホウ素-b11を含む非放射性アプローチを採用しようとしています。
水素ホウ素燃料の小さなペレット大きな球体に配置され、2つのレーザーが同時に当たって、蒸気タービンを使用せずに直接電気を生成する核融合反応を引き起こします。
同社は多くの問題を回避すると主張しているが、彼らは核融合を何十年も追求してきたが、その主な理由は燃料を異常な高温まで加熱しようとしないからだ。彼は燃料ペレットを 2 つのレーザーに照射します。1 つは磁場閉じ込めフィールドを作成し、もう 1 つは水素とホウ素の融合の連鎖反応を引き起こして、電流を生成する粒子を生成します。
専門家によると、この電流はほぼ既存の電力システムに直接接続します。蒸気タービン発電機や熱交換器は必要なく、メルトダウンの危険もありません。同チームはその技術について非常に楽観的であり、実験では反応速度が予測よりも10億倍優れていることが示されており、開発計画は他のアプローチよりもはるかに速く、より安価になると信じていると述べている。
その結果として放出されるエネルギー反応は、周囲の燃料を加熱することができ、温度が十分に高い場合は、熱核反応を開始することもできます。このような設備の目的は、熱放出のプロセスが燃料のかなりの部分に影響を与えるリンク反応を引き起こすときに、熱核の「燃焼」を達成する能力です。典型的な燃料の球は、ピンヘッドとほぼ同じサイズで、約10ミリグラムの燃料が含まれています。実際には、この燃料のごく一部しか熱核反応に使用できませんが、この燃料をすべて使用すると、1バレルの石油を燃焼させるのと同等のエネルギーが放出されます。
「これは興味深い科学です」とマシュー・ホールは言いました。核融合の専門家であり、HB11 に詳しいオーストラリア国立大学の研究者と、ニュー アトラスでこのプロジェクトに取り組んでいる研究者 - しかし、それを地球規模で発電所にできるという説得力のある証拠があるとは言えません。よりも速いスケールITER またはトロイダル磁気閉じ込め。」
ホールによれば、そのような場合の重要な問題は、アプローチは、これらの反応が瞬きのうちに起こるということです。この技術を実用的な発電所に適用するには、短期間の一回限りの反応から、燃える火のようなエネルギーを継続的に供給するものに進化させる必要があります。
Zピンチ-ダークホース
慣性アプローチのもう 1 つの興味深い例核融合への閉じ込めは、核融合エネルギー研究において、プラズマ内に電流を使用してプラズマを圧縮する磁場を生成するプラズマ閉じ込めシステムの一種です。
つまり、を使用する代わりに、大きくて複雑な磁気コイルを使用してプラズマの流れを定位置に保持します。これは、プラズマ自体内で生成される電磁場を使用するアプローチです。核融合競争のダークホースとも言える。 1950 年代の誕生以来、ピンチ効果はトカマクやステラレーターよりも簡単な構成を約束してきました。ただし、これらのデバイスと同様に、磁力線を超えて広がるプラズマの不安定性の影響を受けます。
ワシントン大学のZピンチ保持システム
ワシントン大学の科学者が思いついたこれらの膨らみを滑らかにする方法は、プラズマの流体力学を調整することです。 HB11レーザーアプローチのように、エネルギー問題に対する有望な解決策である一方で、Zピンチは継続的な電力の供給に関して依然として大きな課題に直面しています。問題は、それが本質的に衝動的でもあるということです。
一番下の行は何ですか？
ITER、トロイダル磁気閉じ込めとトカマクのデザインは、これまでで最も先進的です。ただし、核融合研究者はさまざまなアプローチを使用しており、それぞれに独自の長所と短所があります。残念ながら、アプローチに関係なく、プロセスには返されるエネルギーよりも多くのエネルギーが必要になります。しかし、クリーン エネルギーを生成するためにこれらの工学および物理学の問題を解決することは、信じられないほど難しいかもしれませんが、人類の最大の成果の 1 つとなるでしょう。
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