합성과 분열 : 차이점은 무엇입니까?
핵융합과 핵분열은 원자력 에너지를 생산하는 서로 다른 과정입니다.
원자력이 생산하는이 에너지핵분열은 원자로 내부에 포획되어 물을 증기로 가열하는 데 사용되며 터빈을 돌려 전기를 생성합니다. 그러나이 과정은 수백만 년 동안 방사능으로 남아있을 수있는 폐기물을 생성합니다. 후쿠시마와 체르노빌 원자로의 상황은 이것이 어떻게 될 수 있는지 보여 주었다.
반면에 열 핵융합은장기 핵 폐기물 형성에 필요한 물질을 100 년 이내에 재활용 할 수 있습니다. 또한 장비가 오작동하면 몇 초 안에 멈추는 고온 반응을 기반으로하므로 사고의 위험이 없습니다. 그리고 이러한 반응은 상대적으로 적은 양의 연료를 사용하기 때문에 핵무기를 생산하는 데 사용할 위험이 없습니다.
핵융합 연구 분야에는하나의 목표를 위해 노력하는 과학자들은 태양 자체가 엄청난 양의 에너지를 생산하는 데 사용하는 과정을 재현하는 것입니다. 엄청난 중력이 태양 대기에서 수소를 잡아 내고 강렬한 열과 압력을 사용하여 가스를 플라즈마로 변환합니다. 그 안에서 핵은 고속으로 충돌하여 헬륨을 형성하고 에너지를 방출합니다.
또 다른 핵심 요소는 중력입니다.태양의 엄청난 중력은 여기 지구보다 약 28배 더 큽니다. 과학자들은 핵융합 반응을 위한 연료를 제한하는 데 창의력을 발휘해야 했습니다. 현재 가장 선호되는 접근 방식은 토카막이라는 장치에 두 가지 무거운 형태의 수소인 중수소와 삼중수소를 보유하는 데 사용할 수 있는 자기장을 사용하는 것입니다.
Tokamak-높은 희망
토카막이라는 단어 자체는 아무것도 아니다.표시하지 않음은 단지 약어일 뿐이며 나중에 본격적인 단어가 되었습니다. 러시아뿐만 아니라 해외에서도 사용됩니다. 이 물건이 발명 된 곳이 우리나라 였고 오랫동안 활발하게 개발 된 곳이 여기 였기 때문입니다.
토카막(Tokamak)은 자기 코일이 있는 토로이드형 챔버입니다. 그게 다야.
토카막의 본질은 창조에 있습니다.열핵융합 반응이 일어날 자기장. 그러한 반응의 온도는 높을 뿐만 아니라 말 그대로 엄청나게 높기 때문에(섭씨 수백만도) 단순히 일종의 챔버 내부에서 수행될 수 없습니다. 작동 온도에 도달하기 오래 전에 녹아버릴 것입니다.
이 온도는 다음과 같은 사실로 인해 달성됩니다.토카막 내부에서 물질은 높은 온도에서 달성되는 네 번째 응집 상태에 있습니다. 이 상태를 플라즈마라고 합니다. 지구에서 자연 환경의 플라즈마는 번개와 우주의 북극광에서만 발견되며 말 그대로 별, 성운, 성간 공간으로 구성됩니다.
세계에서 가장 큰 토카막 원자로를 수용 할 건물 내부.
열핵 사용을 처음으로 제안한 사람산업 목적을 포함한 합성은 소련의 물리학 자 O.A. Lavrentiev. 그는 1950 년 작품에서 이것을했습니다. 열핵 융합을 사용하는 방법에 대한 연구가 시작된 것은 그의 작업이었습니다.
1년 후, 다른 물리학자들은 A.D.Sakharov와 I.E. Tamm은 아이디어를 발전시켰고 열핵반응은 닫힌 환상형 챔버 내부에서 유지되어야 한다고 말했습니다. 토카막 내부에 자기장을 생성하기 위해 토카막은 내부에 코일이 감겨 있는 섹션으로 구성됩니다. 이들이 챔버의 전체 길이에 걸쳐서 폐쇄된 터널과 같은 것을 생성하기 때문에 결과적인 자기장은 토로이드형이라고 불립니다. 이것은 설치 작업 영역입니다.
중국 실험용 첨단 초전도 토카막 (EAST) 내부.
챔버가 가득 차면 생성됩니다.챔버 내부의 플라즈마를 유지하는 동시에 가열하여 수백만 도의 동일한 온도로 만드는 소용돌이 전기장.
현장과 난방은 인덕터의 전류를 증가시키지만 무한정 증가할 수는 없으며 안정적인 상태의 플라즈마 수명은 아직 몇 초를 초과하지 않습니다. 이것이 우리가 아직 토카막을 산업 에너지 생산의 원천으로 사용할 수 없는 주된 이유입니다. 마이크로파 방사선을 사용하는 등 이 문제를 해결하는 방법이 있지만 지금까지 이 방향의 작업이 아직 진행 중입니다.
이를 달성하기 위해 노력하는 많은 사람들목표로 현재 구축 중인 차세대 장치에 대한 기대가 크다. ITER(국제열핵융합실험로)는 35개국의 과학자와 엔지니어가 참여하는 인류가 수행한 가장 야심찬 에너지 프로젝트 중 하나입니다. 2025년 완공되면 세계 최대의 핵융합 장치가 된다.
대부분의 인류의 야망은ITER와 관련된 핵융합 분야에는 또 다른 흥미로운 기회가 있습니다. 자기 감금이 가능한 또 다른 열핵 원자로 인 별 모양의 원자로를 포함합니다.
Stellator-별 모방
토카막과 마찬가지로 스텔라레이터도 다음과 같이 설계되었습니다.자기 코일을 사용하여 닫힌 챔버에 플라즈마 스트림을 포함하지만 몇 가지 주요 차이점이 있습니다. 멋지고 대칭적인 도넛 모양 대신에 스텔라레이터는 엄청나게 복잡한 일련의 자기 코일을 사용하여 회전하고 회전하는 불규칙한 원으로 플라즈마를 보냅니다. 이는 직관에 어긋나는 것처럼 보이지만 실제로는 내부 전류의 차이로 인해 플라즈마의 안정성이 더 높아진다고 New Atlas는 썼습니다.
그 자체로 스텔라 레이터는제어 된 열핵 융합의 구현. 이름은 위도에서 유래했습니다. 별-별은 별과 별 내부에서 일어나는 과정의 유사성을 나타냅니다. 1950 년 미국의 물리학 자 L. Spitzer가 발명 한 첫 번째 프로토 타입은 이듬해 비밀 마터호른 프로젝트의 일환으로 그의 지도력하에 제작되었습니다.
Wendelstein 7-X (W7-X)-실험용독일 그 라이프 스 발트시에 위치한 고온 플라즈마 연구를위한 설치. 그 공사는 2005 년부터 2014 년까지 막스 플랑크 플라즈마 물리학 연구소에 의해 수행되었습니다. 이 시설의 목적은 항 성형 핵융합로의 산업적 적합성을 테스트하고 제어 된 열 핵융합 분야의 기술 구성 요소와 기술을 연구하고 개선하는 것입니다.
그러한 핵융합로에서는환상형 챔버는 주위에 생성된 자기장과 마찬가지로 복잡하고 구불구불한 모양을 가지고 있습니다. 이론에 따르면 이러한 특이한 설계는 이러한 원자로가 연속 모드에서 작동하는 데 도움이 되며 기존의 "균등" 원자로보다 훨씬 적은 에너지를 소비합니다. 토카막형 원자로. 또한, 자기장의 복잡한 구성으로 인해 고온 플라즈마를 안정적으로 포함할 수 있어 반응기 챔버의 내부 벽과 접촉할 위험이 줄어듭니다. 그러나 이러한 장점에는 대가가 따르는데, 이는 원자로 자체를 설계하고 제조하는 과정이 복잡하기 때문입니다.
2017년 12월 W7-X는 두 번째 프로젝트를 완료했습니다.개선된 플라즈마 가열 및 측정 시스템이 사용된 실험 단계. 두 번째 단계에서 테스트된 주요 요소는 열 제거 시스템이었는데, 이 시스템의 작동은 플라즈마 코드에 영향을 미치지 않아야 합니다. 이 도구는 복잡한 자기장을 형성하는 자석 체인으로 구성되어 플라즈마가 10개에 가까운 방열판을 통과하도록 합니다. 자기장의 편차는 플라즈마 코드의 편향을 수반하며, 이는 플레이트의 과열과 과도한 냉각 및 플라즈마 코드의 파괴로 이어집니다.
자기장을 생성하는 전자석의 작동은 많은 피드백을 사용하는 복잡한 제어 시스템에 의해 제어됩니다.
스텔라 레이터는 그렇게 많은 것을 요구하지 않기 때문에내부 전류는 본질적으로 토카막보다 더 큰 안정성을 제공한다고 Hole은 그리드에 전력을 공급하는 데 더 적합 할 수 있다고 말합니다. 그러나 이것은 믿을 수 없을만큼 복잡한 인프라를 저렴한 방식으로 동일한 제약 조건으로 구축 할 수 있다는 조건으로 현재 형태에서는 그렇지 않습니다.
관성 유지는 급진적인 접근 방식입니다.
자기 가둠 영역 외에도소위 관성 감금에 해당하는 핵융합에 대한 다른 접근법. 관성 제어 열핵 융합은 열핵 융합 유형 중 하나이며, 열핵 연료는 자체 관성력에 의해 유지됩니다. 아이디어는 열핵 연료를 빠르고 균등하게 가열하여 생성 된 플라즈마가 산란 전에 반응 할 시간을 갖도록하는 것입니다. 따라서이 원리를 사용하면 원자로가 펄스됩니다. 핵융합에 관한이 새로운 연구는 중수소와 삼중 수소로 구성 될 연료 펠렛을 빠르게 가열하기 위해 매우 정밀하게 표적화 된 레이저 또는 이온 빔을 사용하는 것을 포함합니다.
아이디어는 이것들에 미치는 영향갑작스럽고 격렬한 가열과 같은 연료 펠렛은 핵융합이 일어날 수있는 물질 층을 통해 연쇄 반응을 일으키는 엄청난 압축력을 일으켜 막대한 양의 에너지를 방출합니다. 호주에 본사를 둔 HB11 Energy는 수소와 붕소 -b11을 포함하는 비 방사성 접근 방식을 선호하여 전통적인 중수소 및 삼중 수소 제조법을 없애려고합니다.
수소 붕소 연료의 작은 펠릿큰 구체에 놓고 동시에 두 개의 레이저에 부딪혀 증기 터빈을 사용하지 않고 직접 전기를 생성하는 융합 반응을 촉발합니다.
회사는 많은 문제를 피한다고 주장하지만,수십 년 동안 핵융합을 추구해 온 것은 연료를 엄청나게 높은 온도로 가열하려고 하지 않기 때문입니다. 그는 연료 알갱이를 두 개의 레이저에 노출시킵니다. 하나는 자기 가두기 장을 생성하고 두 번째는 전류를 생성할 수 있는 입자를 생성하는 수소와 붕소 융합의 연쇄 반응을 유발합니다.
전문가에 따르면 이 전류는 거의기존 전력 시스템에 직접 연결됩니다. 증기 터빈 발전기나 열 교환기가 필요하지 않으며 용해 위험도 없습니다. 팀은 기술에 대해 매우 낙관적이며 실험 결과 반응 속도가 예상보다 10억 배 더 나은 것으로 나타났으며 개발 계획이 다른 접근 방식보다 훨씬 빠르고 저렴할 것이라고 믿습니다.
그 결과로 방출되는 에너지반응은 주변 연료를 가열 할 수 있으며 온도가 충분히 높으면 열핵 반응을 시작할 수도 있습니다. 이러한 설비의 목적은 열 방출 과정이 연료의 상당 부분에 영향을 미치는 연결 반응을 유발할 때 열핵 "연소"를 달성하는 능력입니다. 일반적인 연료 공은 핀 헤드 크기와 약 10 밀리그램의 연료를 포함합니다. 실제로이 연료의 극히 일부만이 열핵 반응에 사용될 수 있지만,이 연료를 모두 사용하면 배럴의 석유를 태우는 것과 동일한 에너지가 방출됩니다.
Matthew Houle은 "이것은 흥미로운 과학입니다."라고 말했습니다.HB11에 정통한 핵융합 전문가이자 호주 국립 대학교 연구원 및 New Atlas에서 프로젝트에 참여하는 연구원 - 하지만 저는 HB11을 발전소로 전환할 수 있다는 설득력 있는 증거가 있다고는 말할 수 없습니다. ITER나 환상형 자기 감금보다 규모가 더 빠릅니다."
Houle에 따르면 이러한 문제의 핵심 문제는 다음과 같습니다.접근 방식은 이러한 반응이 눈 깜짝할 사이에 발생한다는 것입니다. 기술이 실제 발전소에 적용되려면 단기적이고 일회적인 반응에서 불이 붙는 것처럼 지속적으로 에너지를 공급하는 반응으로 진화해야 한다.
Z 핀치-다크 호스
관성 접근법의 또 다른 흥미로운 예핵융합에 대한 감금은 핵융합 에너지 연구에서 플라즈마의 전류를 사용하여 이를 압축하는 자기장을 생성하는 일종의 플라즈마 감금 시스템입니다.
즉, 사용하는 대신플라즈마 스트림을 제자리에 유지하기 위한 크고 복잡한 자기 코일은 플라즈마 자체 내에서 생성되는 전자기장을 사용하는 접근 방식입니다. 이것이 핵융합 경쟁의 다크호스라고 할 수 있다. 1950년대에 시작된 이래로 핀치 효과는 토카막이나 스텔라레이터보다 단순한 구성을 약속해 왔습니다. 하지만 이러한 기기와 마찬가지로 자기장선 너머로 확장되는 플라즈마는 불안정할 수 있습니다.
워싱턴 대학의 Z 핀치 고정 시스템
워싱턴 대학의 과학자들은이러한 팽창을 부드럽게하는 방법은 플라즈마 유체 역학을 조정하는 것입니다. HB11 레이저 접근 방식과 같이 에너지 문제에 대한 유망한 솔루션이지만 Z- 핀치는 지속적인 전력 공급과 관련하여 여전히 주요 과제에 직면 해 있습니다. 문제는 그것이 본질적으로 충동 적이라는 것입니다.
결론은 무엇입니까?
ITER, 환상형 자기 감금및 tokamak 디자인은 단연코 가장 진보된 디자인입니다. 그러나 핵융합 연구자들은 서로 다른 접근 방식을 사용하며 각각 고유한 장점과 단점이 있습니다. 불행하게도 접근 방식에 관계없이 프로세스에는 여전히 반환되는 것보다 더 많은 에너지가 필요합니다. 그러나 믿을 수 없을 만큼 어려운 청정 에너지를 생산하기 위해 이러한 공학적 및 물리학적 문제를 해결하는 것은 인류의 가장 큰 업적 중 하나가 될 것입니다.
더 읽어보기
세계 최초의 정확한지도가 만들어졌습니다. 다른 사람들에게 무슨 문제가 있습니까?
인간 손의 적외선이 암호화에 사용되었습니다.
천왕성은 태양계에서 가장 이상한 행성의 지위를 받았습니다. 왜?
토러스 (토 로이드)-체적회전 중심을 중심으로 링이 회전하여 생성되는 모양. 토러스의 대략적인 예로는 도넛, 베이글 또는 바퀴에서 제거 된 자전거 튜브가 있습니다.