Sintēze un skaldīšana: kāda ir atšķirība?
Kodolsintēze un skaldīšana ir dažādi procesi kodolenerģijas ražošanā.
Šī enerģija, ko ražo kodolenerģijaskaldīšana, tiek uztverta reaktoru iekšienē un tiek izmantota ūdens sildīšanai līdz tvaikam, kas pārvērš turbīnu un rada elektrību. Bet šis process rada atkritumus, kas var palikt radioaktīvi miljoniem gadu. Situācija Fukušimas un Černobiļas reaktoros parādīja, kā tas varētu izrādīties.
No otras puses, kodolsintēze nevedīsilgtermiņa kodolatkritumu veidošanos, un nepieciešamos materiālus var pārstrādāt 100 gadu laikā. Nav arī negadījuma briesmas, jo procesa pamatā ir augstas temperatūras reakcijas, kas apstājas dažu sekunžu laikā, ja iekārta darbojas nepareizi. Tā kā šajās reakcijās tiek izmantots salīdzinoši neliels daudzums degvielas, nav briesmu tās izmantot kodolieroču ražošanai.
Kodolsintēzes pētījumu jomā irzinātnieki, kuri tiecas pēc viena mērķa - atjaunot procesus, kurus Saule pati izmanto milzīga enerģijas ražošanai. Milzīgi gravitācijas spēki aiztur ūdeņradi no Saules atmosfēras un izmanto intensīvu siltumu un spiedienu, lai gāzi pārvērstu plazmā. Tajā kodoli saduras lielā ātrumā, veidojot hēliju un atbrīvojot enerģiju.
Vēl viens svarīgs faktors ir gravitācija.Saules kolosālie gravitācijas spēki ir aptuveni 28 reizes lielāki nekā šeit uz Zemes. Zinātniekiem bija jākļūst radošiem, ierobežojot kodolsintēzes reakciju kurināmo. Pašlaik vispiemērotākā pieeja ir izmantot magnētiskos laukus, kurus var izmantot divu smagu ūdeņraža formu, deitērija un tritija, noturēšanai ierīcē, ko sauc par tokamaku.
Tokamaks - lielas cerības
Pats vārds "tokamak" nav nekasnav apzīmē ir tikai saīsinājums, kas vēlāk kļuva par pilntiesīgu vārdu. To izmanto ne tikai Krievijā, bet arī ārzemēs, jo tieši mūsu valstī šī lieta tika izgudrota, un tieši šeit viņi ilgu laiku aktīvi attīstījās.
Tokamak ir toroidāla kamera ar magnētiskām spolēm. Tas ir viss.
Tokamaka būtība ir saistīta ar radīšanumagnētiskais lauks, kurā notiks kodolsintēzes reakcija. Tā kā šādas reakcijas temperatūra ir ne tikai augsta, bet burtiski pārmērīga (vairāki miljoni grādu pēc Celsija), to nevar veikt vienkārši kaut kādā kamerā - tā izkusīs ilgi pirms darba temperatūras sasniegšanas.
Šī temperatūra tiek sasniegta, pateicoties tam, kaTokamaka iekšpusē viela atrodas ceturtajā agregācijas stāvoklī, kas tiek sasniegts tik augstā temperatūrā. Šo stāvokli sauc par plazmu uz Zemes plazma dabiskajā vidē ir sastopama tikai zibens un ziemeļblāzma kosmosā, burtiski no tā sastāv viss - zvaigznes, miglāji, starpzvaigžņu telpa.
Ēkas iekšpusē, kurā atradīsies pasaulē lielākais tokamaka reaktors.
Pirmais ierosināja izmantot kodoltermiskosintēze, tostarp rūpnieciskiem mērķiem, bija padomju fiziķis O.A. Lavrentjevs. Viņš to izdarīja savā 1950. gada darbā. Tieši ar viņa darbu sāka pētīt kodoltermiskās kodolsintēzes izmantošanas veidus.
Gadu vēlāk citi fiziķi — A.D.Saharovs un I.E. Tamms izstrādāja ideju un teica, ka kodoltermiskā reakcija ir jāuztur slēgtā toroidālā kamerā. Lai izveidotu magnētisko lauku tokamaka iekšpusē, tas sastāv no sekcijām, kuru iekšpusē ir uztītas spoles. Tā kā tie darbojas visā kameras garumā un rada kaut ko līdzīgu slēgtam tunelim, iegūto magnētisko lauku sauc par toroidālo. Šī ir instalācijas darba zona.
Ķīnas eksperimentālā uzlabotā supravadīšanas tokamaka (EAST) iekšpusē.
Kad kamera ir pilna, tas radavirpuļveida elektriskais lauks, kas uztur plazmu kameras iekšienē, un tajā pašā laikā to uzsilda, sasildot to līdz vairāku miljonu grādu temperatūrai.
Tā kā lauks un apkure tiek radīti sakarā ar palielinot strāvu induktorā, bet tā nevar palielināties bezgalīgi, plazmas kalpošanas laiks stabilā stāvoklī vēl nepārsniedz vairākas sekundes. Tas ir galvenais iemesls, kāpēc mēs vēl nevaram izmantot tokamakus kā rūpnieciskās enerģijas ražošanas avotu. Šīs problēmas risināšanai ir veidi, tostarp mikroviļņu starojuma izmantošana, taču pagaidām darbs šajā virzienā vēl turpinās.
Daudzi cilvēki strādā, lai to sasniegtumērķus, liek lielas cerības uz nākamās paaudzes ierīci, kas pašlaik tiek būvēta. ITER jeb Starptautiskais kodoltermiskais eksperimentālais reaktors ir viens no vērienīgākajiem enerģētikas projektiem, ko cilvēce jebkad ir īstenojusi, iesaistot zinātniekus un inženierus no 35 valstīm. Kad tā tiks pabeigta 2025. gadā, tā būs pasaulē lielākā kodolsintēzes iekārta.
Lai gan lielākā daļa cilvēces ambīcijukodolsintēzes jomā, kas saistīta ar ITER, ir arī citas aizraujošas iespējas. Tostarp vēl viens termokodolreaktors ar magnētisko norobežojumu – stellarators.
Stellator - zvaigznes atdarināšana
Tāpat kā tokamaki, arī stellaratori ir paredzētiSatur plazmas plūsmas slēgtā kamerā, izmantojot magnētiskās spoles, taču ar dažām galvenajām atšķirībām. Skaistas, simetriskas virtuļa formas vietā stellarators sūta plazmu neregulāros apļos, kas griežas un griežas, izmantojot neticami sarežģītu magnētisko spoļu sēriju. Tas šķiet pretrunīgi, taču tas faktiski rada lielāku stabilitāti plazmā iekšējās strāvas atšķirību dēļ, raksta New Atlas.
Stellarators pats par sevi ir reaktora tipskontrolētas kodolsintēzes ieviešana. Nosaukums cēlies no lat. stella - zvaigzne, norāda uz stellaratorā un zvaigžņu iekšienē notiekošo procesu līdzību. 1950. gadā izgudroja amerikāņu fiziķis L. Špicers, pirmais viņa prototips tika uzbūvēts viņa vadībā nākamajā gadā slepenā Materhornas projekta ietvaros.
Wendelstein 7-X (W7-X) - eksperimentālsinstalācija augstas temperatūras plazmas izpētei, kas atrodas Greifsvaldes pilsētā Vācijā. Tās būvniecību no 2005. līdz 2014. gadam veica Maksa Planka plazmas fizikas institūts. Iekārtas mērķis ir pārbaudīt stellaratora tipa kodolsintēzes reaktoru rūpniecisko piemērotību, kā arī pētīt un uzlabot tehniskos komponentus un tehnoloģijas kontrolētas termo kodolsintēzes jomā.
Šādos kodolsintēzes reaktorostoroidālajai kamerai ir sarežģīta, līkumaina forma, tāpat kā ap to radītajiem magnētiskajiem laukiem. Šis neparastais dizains, saskaņā ar teoriju, palīdz šādiem reaktoriem darboties nepārtrauktā režīmā, tērējot daudz mazāk enerģijas nekā parastie "vienmērīgie" reaktori. tokamak tipa reaktori. Turklāt magnētiskā lauka sarežģītā konfigurācija ļauj droši saturēt augstas temperatūras plazmu, kas samazina tās saskares risku ar reaktora kameras iekšējām sienām. Tomēr šādām priekšrocībām ir cena, kas slēpjas paša reaktora projektēšanas un ražošanas sarežģītībā.
2017. gada decembrī W7-X pabeidza savu otroeksperimentu posms, kurā tika izmantotas uzlabotas plazmas sildīšanas un mērīšanas sistēmas. Galvenais elements, kas tika pārbaudīts otrajā posmā, bija siltuma noņemšanas sistēma, kuras darbībai nevajadzētu ietekmēt plazmas vadu. Šis rīks sastāv no magnētu ķēdes, kas veido sarežģītus magnētiskos laukus, liekot plazmai iziet tuvu 10 siltuma izlietnes plāksnēm. Jebkura magnētiskā lauka novirze izraisa plazmas vada novirzi, kas izraisa plākšņu pārkaršanu un pārmērīgu plazmas vada atdzišanu un iznīcināšanu.
Elektromagnētu, kas rada magnētisko lauku, darbību kontrolē sarežģīta vadības sistēma, kurā tiek izmantotas daudzas atgriezeniskās saites.
Tā kā zvaigznēm nav vajadzīgs tik daudziekšējā strāva un pēc būtības piedāvā lielāku stabilitāti nekā tokamaki, Hole saka, ka tie var būt labāk piemēroti tīkla darbināšanai. Bet tas ir ar nosacījumu, ka neticami sarežģīto infrastruktūru var būvēt lēti un ar tādiem pašiem ierobežojumiem, kā tas nav pašreizējā formā.
Inerces saglabāšana ir radikāla pieeja
Papildus magnētiskā ieslodzījuma apgabalamcitas pieejas kodolsintēzei, kas ietilpst tā sauktajā inerciālajā ierobežojumā. Inerciāla kontrolēta kodoltermiskā kodolsintēze ir viens no kodoltermiskās kodolsintēzes veidiem, kurā termo kodoldegviela tiek turēta ar saviem inerciālajiem spēkiem. Ideja ir ātri un vienmērīgi sildīt kodoltermisko degvielu, lai iegūtajai plazmai būtu laiks reaģēt pirms izkliedes. Tādējādi, izmantojot šo principu, reaktors tiks impulsēts. Šī jaunā kodolsintēzes pētījumu līnija ietver ļoti precīzi mērķētu lāzera vai jonu staru izmantošanu, lai ātri sildītu degvielas granulu, kas sastāvēs no deitērija un tritija.
Ideja ir tāda, ka ietekme uz tiemdegvielas granulas tik pēkšņa un vardarbīga karsēšana radīs milzīgus spiedes spēkus, kas izsauc ķēdes reakciju caur materiāla slāņiem, kuros var notikt kodolsintēze, atbrīvojot milzīgu enerģijas daudzumu. Austrālijā bāzētā HB11 Energy vēlas atteikties no tradicionālās deitērija un tritija receptes par labu neradioaktīvai pieejai, kurā ietilpst ūdeņradis un bors-b11.
Neliela bora ūdeņraža degvielaievieto lielā sfērā un vienlaikus skar divi lāzeri, lai izraisītu kodolsintēzes reakciju, kas tieši ģenerē elektrību, neizmantojot tvaika turbīnas.
Uzņēmums apgalvo, ka izvairās no daudzām problēmām,kas gadu desmitiem ir īstenojuši kodolsintēzi, galvenokārt tāpēc, ka nemēģina uzsildīt savu degvielu līdz neprātīgi augstai temperatūrai. Viņš pakļauj savas degvielas granulas diviem lāzeriem, no kuriem viens rada magnētiskā ierobežojuma lauku, bet otrs, lai izraisītu ūdeņraža un bora saplūšanas ķēdes reakciju, kas rada daļiņas, kas savukārt var radīt elektrisko strāvu.
Pēc ekspertu domām, šī strāva var būt gandrīztieši uz esošo energosistēmu. Nebūtu vajadzīgs ne tvaika turbīnas ģenerators, ne siltummainis, un nebūtu arī izkušanas riska. Komanda ir ļoti optimistiska par savu tehnoloģiju un saka, ka tās eksperimenti parāda miljards reižu lielāku reakcijas ātrumu, nekā prognozēts, un uzskata, ka tās attīstības plāns būs daudz ātrāks un lētāks nekā citas pieejas.
Enerģija, kas izdalās šādas darbības rezultātāreakcija, spēj uzsildīt apkārtējo degvielu, un, ja temperatūra ir pietiekami augsta, tā var arī sākt kodolreakciju. Šādu iekārtu mērķis ir spēja panākt kodoltermisko "sadedzināšanu", kad siltuma izdalīšanās process izraisa saites reakciju, kas ietekmē ievērojamu degvielas daļu. Tipiska degvielas bumba ir adatas galvas izmērs un satur apmēram 10 miligramus degvielas. Praksē tikai nelielu daļu no šīs degvielas var izmantot kodolreakcijās, taču, ja tiek izmantota visa šī degviela, tā atbrīvos enerģiju, kas līdzvērtīga eļļas mucas sadedzināšanai.
"Šī ir interesanta zinātne," sacīja Metjū Houls,kodolsintēzes eksperts un Austrālijas Nacionālās universitātes pētnieks, kurš pārzina HB11 un pētniekus, kas strādā pie projekta New Atlas — bet es neteiktu, ka ir pārliecinoši pierādījumi tam, ka jūs varētu to pārveidot par spēkstaciju ātrāks mērogs nekā ITER vai toroidālais magnētiskais ierobežojums."
Saskaņā ar Houle, galvenā problēma ar šādupieeja ir tāda, ka šīs reakcijas notiek acu mirklī. Lai tehnoloģiju varētu izmantot praktiskā elektrostacijā, tai ir jāattīstās no īslaicīgām, vienreizējām reakcijām uz kaut ko tādu, kas rada pastāvīgu enerģijas piegādi, piemēram, degošu uguni.
Z-šķipsna - tumšs zirgs
Vēl viens interesants inerciālās pieejas piemērskodolsintēzes ierobežošana ir Z-šķipsna Kodolsintēzes enerģijas pētījumos tas ir plazmas ierobežošanas sistēmas veids, kas izmanto plazmā esošo elektrisko strāvu, lai izveidotu magnētisko lauku, kas to saspiež.
Citiem vārdiem sakot, tā vietā, lai izmantotulielas un sarežģītas magnētiskās spoles, lai noturētu plazmas plūsmas, izmantojot elektromagnētisko lauku, kas tiek ģenerēts pašā plazmā. Mēs varam teikt, ka šis ir kodolsintēzes sacensību tumšais zirgs. Kopš tā izveidošanas 1950. gados, šķipsnu efekts ir solījis vienkāršāku konfigurāciju nekā tokamaki vai stellaratori. Taču, tāpat kā šīs ierīces, arī tas pakļauta nestabilitātei plazmā, kas sniedzas ārpus magnētiskā lauka līnijām.
Z-šķipsnu aiztures sistēma Vašingtonas universitātē
Nācuši klajā zinātnieki no Vašingtonas universitātesveids, kā izlīdzināt šos izciļņus, ir pielāgot plazmas hidrodinamiku. Kaut arī daudzsološs enerģijas problēmas risinājums, piemēram, HB11 lāzera pieeja, Z-pinch joprojām saskaras ar lielām problēmām nepārtrauktas enerģijas piegādē. Problēma ir tā, ka tam ir arī impulsīvs raksturs.
Kāda ir apakšējā līnija?
ITER, toroidālais magnētiskais ierobežojumsun tokamak dizains ir līdz šim vismodernākais. Tomēr kodolsintēzes pētnieki izmanto dažādas pieejas, un katrai no tām ir savas priekšrocības un trūkumi. Diemžēl, neatkarīgi no pieejas, process joprojām prasa vairāk enerģijas, nekā tas atdod. Taču šo inženierzinātņu un fizikas problēmu risināšana, lai ražotu tīru enerģiju, lai arī cik neticami grūti tas būtu, būs viens no cilvēces lielākajiem sasniegumiem.
Lasīt vairāk
Tika izveidota pirmā precīzā pasaules karte. Kas vainas visiem pārējiem?
Šifrēšanai tika izmantots cilvēka roku infrasarkanais starojums
Urāns ir saņēmis visdīvainākās Saules sistēmas planētas statusu. Kāpēc?
Torus (toroid) - ir tilpumaforma, kas izriet no gredzena rotācijas ap rotācijas centru. Aptuveni torusa piemēri būtu virtulis, bagelis vai velosipēda caurule, kas noņemta no riteņa.