Sintezė ir skilimas: koks skirtumas?
Branduolinės energijos sintezė ir dalijimasis yra skirtingi procesai.
Ši energija, kurią gamina branduolinėdalijimasis yra užfiksuotas reaktorių viduje ir naudojamas vandeniui kaitinti iki garo, kuris paverčia turbiną ir gamina elektrą. Bet šis procesas sukuria atliekas, kurios gali likti radioaktyvios milijonus metų. Padėtis Fukušimos ir Černobylio reaktoriuose parodė, kaip tai gali pasisekti.
Kita vertus, termobranduolinė sintezė neveiksilgalaikių branduolinių atliekų susidarymą, o reikiamas medžiagas galima perdirbti per 100 metų. Avarijos pavojaus taip pat nėra, nes procesas pagrįstas aukštos temperatūros reakcijomis, kurios nutrūksta per kelias sekundes, jei įranga sugenda. Kadangi šios reakcijos sunaudoja palyginti nedidelį kuro kiekį, nėra pavojaus jas panaudoti branduoliniams ginklams gaminti.
Branduolių sintezės tyrimų srityje yramokslininkai, kurie siekia vieno tikslo - atkurti procesus, kuriuos pati Saulė naudoja didžiuliam energijos kiekiui gaminti. Milžiniškos gravitacinės jėgos sulaiko vandenilį iš saulės atmosferos ir naudoja intensyvią šilumą ir slėgį, kad dujos virstų plazma. Jame dideliu greičiu susiduria branduoliai, susidarantys helis ir išlaisvinantys energiją.
Kitas svarbus veiksnys yra gravitacija.Kolosalios Saulės gravitacinės jėgos yra maždaug 28 kartus didesnės nei čia, Žemėje. Mokslininkai turėjo būti kūrybingi apribodami branduolių sintezės reakcijoms reikalingą kurą. Šiuo metu tinkamiausias būdas yra naudoti magnetinius laukus, kurie gali būti naudojami dviejų sunkių vandenilio formų – deuterio ir tričio – laikymui įrenginyje, vadinamame tokamaku.
Tokamakas - daug vilčių
Pats žodis „tokamakas“ yra niekasne žymi yra tik santrumpa, kuri vėliau tapo visaverčiu žodžiu. Jis naudojamas ne tik Rusijoje, bet ir užsienyje, nes būtent mūsų šalyje šis dalykas buvo išrastas ir būtent čia jie ilgą laiką aktyviai vystėsi.
Tokamakas yra toroidinė kamera su magnetinėmis ritėmis. Tai viskas.
Tokamako esmė yra kūrimasmagnetinis laukas, kuriame vyks termobranduolinės sintezės reakcija. Kadangi tokios reakcijos temperatūra yra ne tik aukšta, bet tiesiogine prasme per didelė (keli milijonai laipsnių Celsijaus), jos negalima atlikti tiesiog kažkokioje kameroje – ji išsilydys dar ilgai, kol pasieks darbinę temperatūrą.
Ši temperatūra pasiekiama dėl to, kadTokamako viduje medžiaga yra ketvirtoje agregacijos būsenoje, kuri pasiekiama tokioje aukštoje temperatūroje. Tokia būsena vadinama plazma.Žemėje plazma natūralioje aplinkoje randama tik žaibuose ir šiaurės pašvaistėse, erdvėje tiesiogine prasme iš jos susideda viskas – žvaigždės, ūkai, tarpžvaigždinė erdvė.
Pastato, kuriame bus didžiausias pasaulyje tokamako reaktorius, viduje.
Pirmieji pasiūlė naudoti termobranduoliniussintezė, taip pat ir pramonės tikslais, buvo sovietų fizikas O.A. Lavrentjevas. Tai jis padarė savo 1950 m. Būtent su jo darbu buvo pradėti tirti termobranduolinio sintezės naudojimo būdai.
Po metų kiti fizikai – A.D.Sacharovas ir I.E. Tammas sukūrė idėją ir pasakė, kad termobranduolinė reakcija turėtų būti palaikoma uždaroje toroidinėje kameroje. Norint sukurti magnetinį lauką tokamako viduje, jis sudarytas iš sekcijų, kurių viduje yra suvyniotos ritės. Kadangi jie eina per visą kameros ilgį ir sukuria kažką panašaus į uždarą tunelį, susidaręs magnetinis laukas vadinamas toroidiniu. Tai yra įrenginio darbo sritis.
Kinijos eksperimentinio pažangaus superlaidumo tokamako (EAST) viduje.
Kai kamera pilna, ji sukuriasūkurinis elektrinis laukas, palaikantis plazmą kameros viduje, o tuo pačiu ją įkaitinantis, sukeldamas tą pačią kelių milijonų laipsnių temperatūrą.
Kadangi laukas ir šildymas sukuriami dėl didinant srovę induktoriuje, bet ji negali didėti neribotą laiką, plazmos tarnavimo laikas stabilioje būsenoje dar neviršija kelių sekundžių. Tai yra pagrindinė priežastis, kodėl dar negalime naudoti tokamakų kaip pramoninės energijos gamybos šaltinio. Yra būdų, kaip išspręsti šią problemą, įskaitant mikrobangų spinduliuotę, tačiau kol kas darbas šia kryptimi vis dar vyksta.
Daugelis žmonių stengiasi tai pasiektitikslų, dedame daug vilčių į naujos kartos įrenginį, kuris šiuo metu kuriamas. ITER, arba Tarptautinis termobranduolinis eksperimentinis reaktorius, yra vienas ambicingiausių žmonijos kada nors įgyvendintų energetikos projektų, kuriame dalyvauja mokslininkai ir inžinieriai iš 35 šalių. Kai bus baigtas 2025 m., tai bus didžiausias pasaulyje branduolinės sintezės įrenginys.
Nors dauguma žmonijos ambicijųsu ITER susijusioje branduolių sintezės srityje yra ir kitų įdomių galimybių. Įskaitant kitą termobranduolinį reaktorių su magnetiniu uždarymu – stelaratorių.
Стеллатор — подражая звезде
Kaip ir tokamakai, taip ir stellaratoriai yra skirtiSu plazmos srautais uždaroje kameroje naudojant magnetines rites, tačiau yra keletas pagrindinių skirtumų. Vietoj gražios, simetriškos spurgos formos, stellaratorius siunčia plazmą į netaisyklingus apskritimus, kurie sukasi ir sukasi, naudodamas neįtikėtinai sudėtingą magnetinių ritių seriją. Tai atrodo priešinga, tačiau iš tikrųjų dėl vidinės srovės skirtumų tai sukuria didesnį plazmos stabilumą, rašo „New Atlas“.
Stelaratorius savaime yra tam tikras reaktoriusvaldomos termobranduolinės sintezės įgyvendinimas. Pavadinimas kilęs iš lat. stella - žvaigždė, rodo stellaratoriuje ir žvaigždžių viduje vykstančių procesų panašumą. 1950 m. Sugalvotas amerikiečių fiziko L. Spitzerio, jo prototipas buvo pastatytas jam vadovaujant kitais metais kaip slapto Matterhorno projekto dalis.
Wendelstein 7-X (W7-X) - eksperimentinisinstaliacija aukštos temperatūros plazmos tyrimams, esanti Greifsvaldo mieste, Vokietijoje. Jo statybą nuo 2005 iki 2014 metų vykdė Makso Planko plazmos fizikos institutas. Įrenginio paskirtis - ištirti stellaratoriaus tipo sintezės reaktoriaus pramoninį tinkamumą, taip pat ištirti ir patobulinti techninius komponentus ir technologijas valdomos termobranduolinės sintezės srityje.
Tokiuose branduolių sintezės reaktoriuosetoroidinė kamera yra sudėtingos, vingiuotos formos, kaip ir aplink ją sukurti magnetiniai laukai. Ši neįprasta konstrukcija, remiantis teorija, padeda tokiems reaktoriams veikti nuolatiniu režimu, sunaudojant daug mažiau energijos nei įprasti „lyginiai“ reaktoriai. tokamako tipo reaktoriai. Be to, sudėtinga magnetinio lauko konfigūracija leidžia patikimai laikyti aukštos temperatūros plazmą, o tai sumažina jos sąlyčio su reaktoriaus kameros vidinėmis sienelėmis riziką. Tačiau tokie pranašumai turi savo kainą, kuri priklauso nuo paties reaktoriaus projektavimo ir gamybos sudėtingumo.
2017 m. gruodžio mėn. W7-X baigė antrąjįeksperimentų etapas, kuriame buvo naudojamos patobulintos plazminio šildymo ir matavimo sistemos. Pagrindinis elementas, kuris buvo išbandytas antrajame etape, buvo šilumos šalinimo sistema, kurios veikimas neturėtų paveikti plazminio laido. Šis įrankis susideda iš magnetų grandinės, kuri sudaro sudėtingus magnetinius laukus, todėl plazma praeina beveik 10 šilumos kriauklės plokščių. Bet koks magnetinių laukų nuokrypis sukelia plazmos laido nukrypimą, dėl kurio plokštės perkaista, o plazminis laidas per daug atšaldomas ir sunaikinamas.
Elektromagnetų, kurie sukuria magnetinį lauką, veikimą kontroliuoja kompleksinė valdymo sistema, naudojanti daugybę grįžtamųjų ryšių.
Kadangi žvaigždėms tiek nereikiavidinė srovė ir iš esmės pasižymi didesniu stabilumu nei tokamakai, Hole'o teigimu, jie gali būti tinkamesni tinklui maitinti. Bet tai daroma su sąlyga, kad neįtikėtinai sudėtingą infrastruktūrą galima sukurti nebrangiai ir taikant tuos pačius suvaržymus, o to nėra dabartine forma.
Inercinis sulaikymas yra radikalus metodas
Be magnetinio sulaikymo srities,kiti požiūriai į branduolio sintezę, kuriems taikoma vadinamoji inercinė izoliacija. Inercinė kontroliuojama termobranduolinė sintezė yra viena iš termobranduolinio sintezės rūšių, kai termobranduolinis kuras laikomas savo inercinėmis jėgomis. Idėja yra greitai ir tolygiai pašildyti termobranduolinį kurą, kad susidariusi plazma spėtų sureaguoti prieš išsisklaidydama. Taigi, naudojant šį principą, reaktorius bus impulsinis. Ši nauja branduolių sintezės tyrimų kryptis apima labai tikslių lazerių ar jonų pluoštų naudojimą, kad būtų galima greitai pašildyti kuro granules, kurias sudarys deuteris ir tritis.
Idėja yra ta, kad poveikis šiemskuro granulės toks staigus ir smarkus kaitinimas sukels milžiniškas gniuždymo jėgas, kurios per grandinės reakciją per medžiagos sluoksnius, kuriuose gali įvykti branduolio sintezė, iššaukia milžinišką energijos kiekį. Australijoje įsikūrusi „HB11 Energy“ nori atsisakyti tradicinio deuterio ir tričio recepto, naudodama neradioaktyvų metodą, apimantį vandenilį ir borą-b11.
Mažos vandenilio boro kuro granulėsdedamas į didelę sferą ir vienu metu pataikomas dviem lazeriais, kad būtų sukelta sintezės reakcija, kuri tiesiogiai generuoja elektrą nenaudojant garo turbinų.
Bendrovė teigia išvengusi daugelio problemų,kurios dešimtmečius siekė branduolių sintezės, daugiausia dėl to, kad nemėgina kaitinti kuro iki beprotiškai aukštos temperatūros. Jis veikia savo kuro granules dviem lazeriais: vienas sukuria magnetinio uždarymo lauką, o antrasis sukelia vandenilio ir boro sintezės grandininę reakciją, kuri sukuria daleles, kurios savo ruožtu gali generuoti elektros srovę.
Pasak ekspertų, ši srovė gali būti beveiktiesiai į esamą elektros sistemą. Nereikėtų nei garo turbinos generatoriaus, nei šilumokaičio, nekiltų ir išlydymo pavojaus. Komanda labai optimistiškai vertina savo technologiją ir teigia, kad jos eksperimentai rodo milijardą kartų didesnį reakcijos greitį nei prognozuota, ir mano, kad jos plėtros planas bus daug greitesnis ir pigesnis nei kiti metodai.
Energija, kuri išsiskiria dėl toreakcija, sugeba šildyti aplinkinius degalus ir, jei temperatūra yra pakankamai aukšta, ji taip pat gali pradėti termobranduolinę reakciją. Tokių įrenginių tikslas yra galimybė pasiekti termobranduolinį „degimą“, kai šilumos išsiskyrimo procesas sukelia jungties reakciją, kuri paveikia didelę kuro dalį. Tipiškas kuro rutulys yra kaiščio dydžio ir jame yra apie 10 miligramų kuro. Praktiškai tik nedidelė šio kuro dalis gali būti naudojama termobranduolinėje reakcijoje, tačiau jei bus panaudotas visas šis kuras, jis išskirs energiją, lygiavertę deginant barelį naftos.
„Tai įdomus mokslas“, - sakė Matthew Houle.Branduolinės sintezės ekspertas ir Australijos nacionalinio universiteto mokslininkas, susipažinęs su HB11, ir tyrėjais, dirbančiais su projektu Naujasis atlasas – bet nesakyčiau, kad yra įtikinamų įrodymų, kad galite ją paversti elektrine greitesnis nei ITER arba toroidinis magnetinis uždarymas.
Anot Houle, pagrindinė tokia problemaŠios reakcijos įvyksta akimirksniu. Kad technologija būtų pritaikyta praktiškoje elektrinėje, ji turi išsivystyti iš trumpalaikių, vienkartinių reakcijų į kažką, kas gamina nuolatinį energijos tiekimą, pavyzdžiui, degančią ugnį.
Z-žiupsnelis - tamsus arklys
Kitas įdomus inercinio požiūrio pavyzdysbranduolių sintezės apribojimas yra Z. Branduolinės sintezės energijos tyrimuose tai yra plazmos izoliavimo sistemos rūšis, kuri naudoja plazmoje esančią elektros srovę, kad sukurtų ją suspaudžiantį magnetinį lauką.
Kitaip tariant, užuot naudojędidelės ir sudėtingos magnetinės ritės, skirtos laikyti plazmos srautus, naudojant elektromagnetinį lauką, kuris sukuriamas pačioje plazmoje. Galime sakyti, kad tai yra tamsus arklys branduolinės sintezės lenktynėse. Nuo pat jo atsiradimo šeštajame dešimtmetyje žiupsnelio efektas žadėjo paprastesnę konfigūraciją nei tokamakai ar stellaratoriai. Tačiau, kaip ir šie įrenginiai, taip pat dėl plazmos nestabilumo, kuris tęsiasi už magnetinio lauko linijų.
Vašingtono universiteto Z-žiupsnelių sulaikymo sistema
Vašingtono universiteto mokslininkai sugalvojobūdas išlyginti šiuos išsipūtimus yra koreguojant plazmos hidrodinamiką. Nors perspektyvus energetikos problemos sprendimas, pavyzdžiui, HB11 lazerinis metodas, „Z-pinch“ vis tiek susiduria su dideliais iššūkiais, kai reikia tiekti nuolatinę galią. Problema ta, kad jis taip pat yra impulsyvus.
Kokia esmė?
ITER, toroidinis magnetinis uždarymasir tokamak dizainas yra patys pažangiausi. Tačiau branduolinės sintezės tyrinėtojai taiko skirtingus metodus, kurių kiekvienas turi savo privalumų ir trūkumų. Deja, nepaisant požiūrio, procesas vis tiek reikalauja daugiau energijos nei grąžina. Tačiau šių inžinerijos ir fizikos problemų sprendimas siekiant gaminti švarią energiją, kad ir kaip bebūtų neįtikėtinai sunkus, bus vienas didžiausių žmonijos laimėjimų.
Skaityti daugiau
Buvo sukurtas pirmasis tikslus pasaulio žemėlapis. Kas negerai visiems kitiems?
Šifravimui buvo naudojama žmogaus rankų infraraudonoji spinduliuotė
Uranas gavo keisčiausios Saulės sistemos planetos statusą. Kodėl?
Toras (toroidas) - tai tūrinisforma, atsirandanti dėl žiedo sukimosi aplink sukimosi centrą. Apytiksliai toro pavyzdžiai būtų nuo rato nuimta spurga, riestainis ar dviračio vamzdelis.