Kas ir kodolsintēze?
Kodolsintēze (šajā gadījumā mēs runājam par kodolsintēzi) ir reakcija
Saskaņā ar mūsdienu astrofizikālojēdzieni, galvenais Saules un citu zvaigžņu enerģijas avots ir to kodolos notiekoša kodolsintēze. Sauszemes apstākļos to veic ar ūdeņraža bumbas eksploziju. Termotu kodolsintēzi papildina milzīga enerģijas izdalīšanās uz vienu reaģentu masas vienību (apmēram 10 miljonus reižu vairāk nekā ķīmiskās reakcijās). Tāpēc ir ļoti interesanti apgūt šo procesu un, pamatojoties uz to, izveidot lētu un videi draudzīgu enerģijas avotu. Tomēr, neskatoties uz to, ka lielās zinātniskās un tehniskās komandas daudzās attīstītajās valstīs nodarbojas ar kontrolētas kodoltermiskās kodolsintēzes (CTF) izpēti, joprojām ir jāatrisina daudzas sarežģītas problēmas, pirms termo kodolenerģijas rūpnieciskā ražošana kļūst par realitāti.
Mūsdienu atomelektrostacijas, kas izmanto šo procesudivīzijas, tikai daļēji apmierina pasaules elektroenerģijas vajadzības. To degviela ir dabiskie radioaktīvie elementi urāns un torijs, kuru daudzums un rezerves dabā ir ļoti ierobežotas; tādēļ daudzas valstis saskaras ar to importa problēmu. Galvenā kodoltermiskās degvielas sastāvdaļa ir ūdeņraža izotops deitērijs, kas atrodams jūras ūdenī. Tās rezerves ir publiski pieejamas un ļoti lielas (Pasaules okeāns aizņem ~71% no Zemes virsmas, un deitērijs veido aptuveni 0,016% no kopējā ūdeņraža atomu skaita, kas veido ūdeni).
Papildus degvielas pieejamībai termoelektroenerģijas avotiem ir šādas svarīgas priekšrocības salīdzinājumā ar atomelektrostacijām:
- CTS reaktorā ir daudz mazāk radioaktīvo materiālu nekā kodola dalīšanās reaktorā, un tāpēc nejaušas radioaktīvo produktu izdalīšanās sekas ir mazāk bīstamas;
- termonukleārās reakcijas rada mazāk ilgmūžīgu radioaktīvo atkritumu;
- TCB ļauj tieši ražot elektroenerģiju.
Kodolsintēzes reakcijas veiksmīga īstenošana ir atkarīga no izmantoto atomu kodolu īpašībām un iespējas iegūt blīvu augstas temperatūras plazmu, kas nepieciešama reakcijas uzsākšanai.
Kā saplūšanas laikā tiek atbrīvota enerģija?
Enerģijas izdalīšanās kodolsintēzes laikā ir saistīta arārkārtīgi intensīvi pievilcības spēki, kas darbojas kodola iekšienē; šie spēki satur kopā protonus un neitronus, kas veido kodolu. Viņi ir ļoti intensīvi un ārkārtīgi ātri sabrūk ar attālumu. Papildus šiem spēkiem pozitīvi lādēti protoni rada elektrostatiskos atgrūšanas spēkus. Elektrostatisko spēku darbības rādiuss ir daudz lielāks nekā kodolspēku, tāpēc tie sāk dominēt, kad kodoli tiek noņemti viens no otra.
Normālos apstākļos kodola kinētiskā enerģijagaismas atomi ir pārāk mazi, lai pārvarētu elektrostatisko atgrūšanu, tie varētu tuvoties un iesaistīties kodolreakcijā. Tomēr atgrūšanu var pārvarēt ar "rupju" spēku, piemēram, saduroties kodoliem ar lielu relatīvo ātrumu.
Kāpēc zinātnieki veic kodolsintēzi?
Pētnieki, kas attīsta kodolenerģijureaktors, kas var radīt vairāk enerģijas, nekā patērē, neseno darbu sērijā ir parādījis, ka to konstrukcijām ir jādarbojas, atjaunojot optimismu, ka šis tīrais, neierobežotais enerģijas avots palīdzēs mazināt klimata krīzi.
Pētnieku grupa no MasačūsetsasTehnoloģiju institūts (MIT) un citi institūti paziņo, ka kompaktais kodolsintēzes reaktors SPARC darbosies patiesībā. Vismaz teorētiski, kā viņi apgalvo nesen publicētu pētījumu sērijā.
Komanda norāda, ka plānošanas posmos Nrnetika atrasti negaidīti šķēršļi vai pārsteigumi. Tas teikts septiņos rakstos, kurus uzrakstījuši 47 pētnieki no 12 dažādām zinātniskām institūcijām.
Lai gan jaunais reaktors vēl tikai tiek būvētsAgrīnās attīstības stadijās zinātnieki cer, ka tas varētu sākt ražot elektroenerģiju līdz desmitgades beigām. Martins Grīnvalds, viens no projekta vecākajiem zinātniekiem, The Guardian sacīja, ka galvenā motivācija vērienīgajam laika grafikam ir apmierināt enerģijas vajadzības sasilstošajā pasaulē. "Šķiet, ka kodolsintēze ir viens no iespējamiem risinājumiem, kā izkļūt no draudošās klimata katastrofas," viņš teica.
Kāda ir kodolsintēzes problēma un kā tā var palīdzēt planētai?
Kodolsintēze, fizisks process, kasmūsu saules enerģija rodas, kad atomi saduras kopā ļoti augstā temperatūrā un spiedienā, liekot tiem atbrīvot milzīgu enerģijas daudzumu, saplūstot ar smagākiem atomiem.
Kopš tā pirmo reizi tika atklātsPagājušajā gadsimtā zinātnieki ir centušies izmantot kodolsintēzi, ārkārtīgi blīvu enerģijas veidu, kura kurināmā — ūdeņraža izotopu — ir bagātīgs un papildināts. Turklāt kodolsintēze nerada siltumnīcefekta gāzes vai oglekli un atšķirībā no kodola skaldīšanas reaktoriem nerada sabrukšanas risku.
Tomēr šīs kodolenerģijas formas izmantošanaizrādījās ārkārtīgi grūti, jo bija jāuzsilda "subatomisko daļiņu zupa" — plazma — līdz simtiem miljonu grādu — pārāk karsta, lai to varētu apstrādāt jebkurš konteiners. Lai to apietu, zinātnieki ir izstrādājuši virtuļa formas kameru, kurai cauri iet spēcīgs magnētiskais lauks, ko sauc par tokamaku, kas notur plazmu savā vietā.
Kas jau tiek izstrādāts?
Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta zinātniekiun meitasuzņēmums Commonwealth Fusion Systems 2018. gada sākumā sāka projektēt jaunu reaktoru, kas ir kompaktāks par tā priekšgājējiem, un būvniecību vajadzētu sākt nākamā gada pirmajā pusē. Ja viņu grafiks notiks saskaņā ar plānu, reaktors ar nosaukumu Sparc varētu ražot elektrību elektrotīklam līdz 2030. gadam, norāda pētnieki un uzņēmuma amatpersonas. Tas notiks daudz ātrāk nekā pašreizējās kodolsintēzes enerģijas iniciatīvas.
Pašreizējie reaktoru modeļi ir pārāk lieliun ceļus, lai faktiski ražotu elektroenerģiju patērētājiem. Izmantojot vismodernākos, īpaši spēcīgus magnētus, MIT un Commonwealth Fusion komanda cer izveidot kompaktu, efektīvu un mērogojamu tokamaka reaktoru. "Tas, ko mēs patiešām esam darījuši, ir apvienot esošo zinātni ar jaunu materiālu, lai pavērtu milzīgas jaunas iespējas," sacīja Grīnvalds.
Pēc tam, kad pierādījāt, ka Sparc ierīceteorētiski varētu saražot vairāk enerģijas, nekā nepieciešams darbībai, septembrī publicētajos pētījumos nākamais solis ir reaktora un pēc tam izmēģinājuma stacijas uzbūvēšana, kas elektrību ražos tīklā.
Visi kodolsintēzes plusi un mīnusi
Zinātnieki un uzņēmēji to jau sen solījakodolsintēze ir tepat aiz stūra, taču tā saskārās ar nepārvaramām problēmām. Tas ir izraisījis nevēlēšanos tajā ieguldīt, it īpaši tāpēc, ka vēja, saules un citi atjaunojamie enerģijas avoti, kaut arī mazāk jaudīgi nekā kodolsintēze, ir kļuvuši efektīvāki un rentablāki.
Bet situācija mainās.Baidena 2 triljonu dolāru plānā viņš modernās kodoltehnoloģijas nosauca par dekarbonizācijas stratēģijas daļu. Demokrāti pirmo reizi kopš 1972. gada atbalsta kodolenerģiju. Nozīmīgas investīcijas nāk arī no privātiem avotiem, tostarp dažām lielām naftas un gāzes kompānijām, kuras saplūšanu uzskata par labāku ilgtermiņa balstu nekā vējš un saule.
Saskaņā ar Bob Mumgaard, izpildvaras teiktoCommonwealth Fusion direktors, mērķis nav izmantot kodolsintēzi, lai aizstātu saules un vēja enerģiju, bet gan papildinātu tos. "Ir lietas, kuras rūpnieciskā mērogā būs grūti izdarīt tikai ar atjaunojamo enerģiju, piemēram, nodrošināt elektroenerģiju lielajām pilsētām vai ražošanā," viņš teica. "Šeit sintēze var noderēt."
Plazmas kopiena kopumā ir sajūsmā par Sparc progresu, lai gan daži ir apšaubījuši vērienīgo grafiku, ņemot vērā tehniskos un normatīvos šķēršļus.
Daniels Džesbijs, zinātnisko pētījumu 25 gadiasociētais darbinieks Prinstonas plazmas fizikas laboratorijā ir skeptisks, vai tāds kodolsintēzes reaktors kā SPARC kādreiz varētu kļūt par iespējamu alternatīvu enerģijas avotu. Tritijs, viens no ūdeņraža izotopiem, ko Sparc izmantos kā degvielu, dabā nenotiek un ir jāražo, viņš teica.
Masačūsetsas Tehnoloģiskā komandaInstitūts pieņem, ka šo vielu nepārtraukti atjaunos pati sintēzes reakcija. Bet Džesbijs uzskata, ka tas prasīs milzīgu elektroenerģijas daudzumu, padarot reaktoru pārmērīgi dārgu. "Kad jūs domājat, ka mēs bez maksas saņemam saules un vēja enerģiju, būtu neprātīgi paļauties uz kodolsintēzes reakciju," viņš secina.
Lasīt vairāk
Pētījumi: cilvēki nespēs kontrolēt superinteligent AI mašīnas
Aborts un zinātne: kas notiks ar bērniem, kas dzemdēs
Apskatiet skaistākos Habla attēlus. Ko teleskops ir redzējis 30 gadu laikā?