Kas yra branduolio sintezė?
Branduolio sintezė (šiuo atveju kalbame apie termobranduolinę sintezę) yra reakcija
Pagal šiuolaikinę astrofizinęsąvokos, pagrindinis Saulės ir kitų žvaigždžių energijos šaltinis yra jų gylyje vykstanti termobranduolinė sintezė. Sausumos sąlygomis jis vykdomas sprogus vandenilio bombai. Termobranduolinę sintezę lydi milžiniškas energijos išsiskyrimas reaguojančių medžiagų masės vienetui (maždaug 10 milijonų kartų daugiau nei cheminėse reakcijose). Todėl labai įdomu įvaldyti šį procesą ir jo pagrindu sukurti pigų ir aplinkai nekenksmingą energijos šaltinį. Tačiau, nepaisant to, kad didelės mokslinės ir techninės grupės daugelyje išsivysčiusių šalių užsiima kontroliuojamos termobranduolinės sintezės (CTF) tyrimais, dar reikia išspręsti daug sudėtingų problemų, kol pramoninė termobranduolinės energijos gamyba taps realybe.
Šiuolaikinės atominės elektrinės naudojant šį procesąpadalinių, tik iš dalies patenkina pasaulio elektros poreikius. Kuras jiems – natūralūs radioaktyvieji elementai uranas ir toris, kurių gausa ir atsargos gamtoje labai ribotos; todėl daugelis šalių susiduria su jų importo problema. Pagrindinis termobranduolinio kuro komponentas yra vandenilio izotopas deuteris, kuris randamas jūros vandenyje. Jo atsargos yra viešai prieinamos ir labai didelės (Pasaulio vandenynas užima ~71% Žemės paviršiaus ploto, o deuteris sudaro apie 0,016% viso vandenilio atomų, sudarančių vandenį).
Be kuro prieinamumo, termobranduoliniai energijos šaltiniai turi šiuos svarbius pranašumus, palyginti su atominėmis elektrinėmis:
- CTS reaktoriuje yra daug mažiau radioaktyviųjų medžiagų nei branduolio dalijimosi reaktoriuje, todėl atsitiktinio radioaktyviųjų produktų išmetimo pasekmės yra mažiau pavojingos;
- dėl termobranduolinių reakcijų susidaro mažiau ilgaamžių radioaktyviųjų atliekų;
- TCB leidžia tiesiogiai gaminti elektrą.
Sėkmingas sintezės reakcijos įgyvendinimas priklauso nuo naudojamų atominių branduolių savybių ir galimybės gauti tankią aukštos temperatūros plazmą, kuri būtina reakcijai inicijuoti.
Kaip išsiskiria energija sintezės metu?
Energijos išsiskyrimas branduolio sintezės metu yra dėlypač intensyvios traukos jėgos, veikiančios šerdies viduje; šios jėgos kartu laiko protonus ir neutronus, kurie sudaro branduolį. Jie yra labai intensyvūs ir labai greitai suyra su atstumu. Be šių jėgų, teigiamai įkrauti protonai sukuria elektrostatines atstumiančias jėgas. Elektrostatinių jėgų veikimo spindulys yra daug didesnis nei branduolinių jėgų, todėl jos pradeda vyrauti pašalinus branduolius vienas nuo kito.
Normaliomis sąlygomis branduolių kinetinė energijašviesos atomai yra per maži, kad įveiktų elektrostatinį atstūmimą, jie galėtų priartėti ir patekti į branduolinę reakciją. Tačiau atstūmimą galima įveikti „grubia“ jėga, pavyzdžiui, susidūrus su dideliu santykiniu greičiu branduoliais.
Kodėl mokslininkai daro branduolių sintezę?
Tyrėjai, kuriantys termobranduoliniusreaktorius, galintis generuoti daugiau energijos, nei sunaudoja, neseniai atliktų darbų metu parodė, kad jų projektai turi veikti, atkurdami optimizmą, kad šis švarus, beribis energijos šaltinis padės sušvelninti klimato krizę.
Mokslininkų grupė iš MasačusetsoTechnologijos institutas (MIT) ir kiti institutai skelbia, kad kompaktiškas sintezės reaktorius SPARC veiks iš tikrųjų. Bent jau teoriškai, kaip jie teigia neseniai paskelbtų tyrimų serijoje.
Komanda atkreipia dėmesį, kad planavimo etapuose Nrnetikėtų kliūčių ar staigmenų nerasta. Tai teigiama septyniuose straipsniuose, kuriuos parašė 47 tyrėjai iš 12 skirtingų mokslo institucijų.
Nors naujasis reaktorius dar tik statomasAnkstyvosiose plėtros stadijose mokslininkai tikisi, kad iki dešimtmečio pabaigos jis galėtų pradėti gaminti elektrą. Martinas Greenwaldas, vienas iš vyresniųjų projekto mokslininkų, „The Guardian“ sakė, kad pagrindinė ambicingo laiko juostos motyvacija yra patenkinti energijos poreikius šylančiame pasaulyje. „Atrodo, kad sintezė yra vienas iš galimų sprendimų, kaip išsigelbėti iš gresiančios klimato katastrofos“, – sakė jis.
Kokia yra sintezės problema ir kaip ji gali padėti planetai?
Branduolio sintezė, fizinis procesas, kurismūsų saulės energija atsiranda, kai atomai susiduria kartu esant labai aukštai temperatūrai ir slėgiui, todėl susiliedami su sunkesniais atomais jie išleidžia didžiulį energijos kiekį.
Nuo tada, kai ji buvo pirmą kartą atrastaPraėjusį šimtmetį mokslininkai siekė panaudoti branduolių sintezę – itin tankią energijos formą, kurios kuro – vandenilio izotopų – gausu ir jo atsargų. Be to, branduolių sintezė neišskiria šiltnamio efektą sukeliančių dujų ar anglies ir, skirtingai nei branduolio dalijimosi reaktoriai, nekelia skilimo pavojaus.
Tačiau šios rūšies branduolinės energijos naudojimaspasirodė labai sunku, nes reikėjo pašildyti „subatominių dalelių sriubą“ – plazmą – iki šimtų milijonų laipsnių – per karšta, kad ją būtų galima apdoroti. Norėdami tai apeiti, mokslininkai sukūrė spurgos formos kamerą su stipriu magnetiniu lauku, vadinamą tokamaku, kuris laiko plazmą vietoje.
Kas jau kuriama?
Masačusetso technologijos instituto mokslininkaiir jos dukterinė įmonė „Commonwealth Fusion Systems“ 2018 m. pradžioje pradėjo projektuoti naują, kompaktiškesnį nei pirmtakai, reaktorių, kuris turėtų prasidėti kitų metų pirmoje pusėje. Tyrėjų ir bendrovės pareigūnų teigimu, jei jų tvarkaraštis vyks pagal planą, „Sparc“ vadinamas reaktorius iki 2030 m. Galėtų pagaminti elektros energiją tinklui. Tai bus daug greičiau nei esamos svarbiausios branduolių sintezės energijos iniciatyvos.
Dabartinės reaktorių konstrukcijos yra per didelėsir kelių, kurie iš tikrųjų gamina elektros energiją vartotojams. MIT ir Commonwealth Fusion komanda, naudodama pažangiausius, itin stiprius magnetus, tikisi sukurti kompaktišką, efektyvų ir keičiamo dydžio tokamako reaktorių. „Tai, ką mes iš tikrųjų padarėme, yra sujungti esamą mokslą su nauja medžiaga, kad atvertume milžiniškas naujas galimybes“, - sakė Greenwald.
Parodžius, kad „Sparc“ įrenginysteoriškai galėtų pagaminti daugiau energijos, nei reikia eksploatacijai, rugsėjo mėn. paskelbtuose mokslinių tyrimų straipsniuose kitas žingsnis yra reaktoriaus ir paskui bandomosios jėgainės, kuri gamins elektrą tinkle, statyba.
Visi branduolių sintezės privalumai ir trūkumai
Mokslininkai ir verslininkai jau seniai tai žadėjotermobranduolinė sintezė yra visai šalia, tačiau susidūrė su neįveikiamomis problemomis. Tai sukėlė nenorą į tai investuoti, ypač todėl, kad vėjo, saulės ir kiti atsinaujinantys energijos šaltiniai, nors ir mažiau galingi nei sintezė, tapo efektyvesni ir ekonomiškesni.
Tačiau situacija keičiasi.Bideno 2 trln. USD plane jis pažangias branduolines technologijas pavadino dekarbonizavimo strategijos dalimi. Demokratai pirmą kartą remia atominę energiją nuo 1972 m. Didelės investicijos taip pat gaunamos iš privačių šaltinių, įskaitant kai kurias dideles naftos ir dujų kompanijas, kurios mato, kad sintezė yra geresnė ilgalaikė atrama nei vėjas ir saulė.
Pasak Bobo Mumgaardo, vykdomojo„Commonwealth Fusion“ direktoriaus teigimu, sintezė siekiama ne pakeisti saulės ir vėjo energiją, o jas papildyti. „Yra dalykų, kuriuos bus sunku padaryti vien naudojant atsinaujinančią energiją pramoniniu mastu, pavyzdžiui, aprūpinti elektros energiją dideliems miestams ar gaminti“, – sakė jis. "Štai kur sintezė gali būti naudinga."
Plazmos bendruomenė yra entuziastinga „Sparc“ pažangai, nors kai kurie abejoja dėl ambicingo laiko plano, atsižvelgiant į technines ir reguliavimo kliūtis.
Danielis Jessby, 25 metų moksliniai tyrimaiPrinstono plazmos fizikos laboratorijos bendradarbis skeptiškai vertina, ar sintezės reaktorius, toks kaip SPARC, kada nors galėtų tapti alternatyviu energijos šaltiniu. Tričio, vieno iš vandenilio izotopų, kurį „Sparc“ naudos kaip kurą, gamtoje nėra ir jis turi būti gaminamas, sakė jis.
Masačusetso technologinė komandaInstitutas daro prielaidą, kad ši medžiaga bus nuolat regeneruojama pačios sintezės reakcijos metu. Tačiau Jessby mano, kad tam reikės didžiulio elektros energijos kiekio, todėl reaktorius bus nepaprastai brangus. „Kai manote, kad saulės ir vėjo energiją gauname nemokamai, būtų kvaila pasikliauti sintezės reakcija“, - apibendrina jis.
Skaityti daugiau
Tyrimai: žmonės negalės valdyti intelektualiųjų intelekto intelekto mašinų
Abortas ir mokslas: kas nutiks gimdantiems vaikams
Peržiūrėkite gražiausias Hablo nuotraukas. Ką matė teleskopas per 30 metų?