Syntese og fisjon: hva er forskjellen?
Fusjon og fisjon er forskjellige prosesser for å produsere kjernekraft.
Denne energien produsert av kjernefysiskfisjon, fanges opp i reaktorer og brukes til å varme opp vann til damp, som snur en turbin og genererer elektrisitet. Men denne prosessen skaper avfall som kan forbli radioaktivt i millioner av år. Situasjonen i reaktorene ved Fukushima og Tsjernobyl viste hvordan dette kunne bli.
På den annen side vil ikke termonuklear fusjon føretil dannelse av langsiktig atomavfall, og de nødvendige materialene kan resirkuleres innen 100 år. Det er heller ingen fare for en ulykke, fordi prosessen er basert på høytemperaturreaksjoner som stopper på få sekunder hvis utstyret ikke fungerer. Og siden disse reaksjonene bruker relativt lite drivstoff, er det ingen fare for å bruke dem til å produsere atomvåpen.
Innen kjernefusjonsforskning er detforskere som streber etter ett mål - å gjenskape prosessene som solen selv bruker til å produsere enorme mengder energi. Enorme gravitasjonskrefter fanger hydrogen fra solens atmosfære og bruker intens varme og trykk for å omdanne gassen til plasma. I det kolliderer kjerner i høy hastighet, danner helium og frigjør energi.
Solens kolossale gravitasjonskrefter er omtrent 28 ganger større enn de her på jorden.Forskere har måttet bli kreative om å begrense drivstoffet for kjernefysiske fusjonsreaksjoner.Den mest foretrukne tilnærmingen i sin nåværende form er å bruke magnetfelt, som kan brukes til å holde to tunge former for hydrogen, deuterium og tritium, i en enhet som kalles en tokamak.
Tokamak - store forhåpninger
Selve ordet "tokamak" er ingentingbetyr ikke er bare en forkortelse, som senere ble et fullverdig ord. Den brukes ikke bare i Russland, men også i utlandet, siden det var i vårt land at denne tingen ble oppfunnet, og det var her de aktivt utviklet seg i lang tid.
Tokamak er et toroidformet kammer med magnetiske spoler. Det er alt.
Essensen av en tokamak kommer ned til å skapemagnetfelt der den termonukleære fusjonsreaksjonen vil skje. Siden temperaturen på en slik reaksjon ikke bare er høy, men bokstavelig talt uoverkommelig (flere millioner grader Celsius), kan den ikke utføres bare inne i et slags kammer - den vil smelte lenge før driftstemperaturen er nådd.
Denne temperaturen oppnås på grunn av det faktum atInne i tokamak er stoffet i den fjerde aggregeringstilstanden, som oppnås ved så høye temperaturer. Denne tilstanden kalles plasma.På jorden finnes plasma i det naturlige miljøet bare i lyn og nordlys; i verdensrommet består bokstavelig talt alt av det - stjerner, stjernetåker, interstellare rom.
Inne i bygningen som vil huse verdens største tokamakreaktor.
Den første som foreslo bruk av termonukleærsyntese, inkludert for industrielle formål, var den sovjetiske fysikeren O.A. Lavrentiev. Han gjorde dette i sitt arbeid i 1950. Det var med arbeidet hans studiet av måter å bruke termonuklear fusjon begynte på.
Et år senere, andre fysikere – A.D.Sakharov og I.E. Tamm - utviklet ideen og sa at den termonukleære reaksjonen skulle opprettholdes inne i et lukket toroidalt kammer. For å skape et magnetfelt inne i tokamak, er det bygd opp av seksjoner med spoler viklet inni dem. Siden de løper i hele lengden av kammeret og skaper noe som en lukket tunnel, kalles det resulterende magnetiske feltet toroidalt. Dette er arbeidsområdet til installasjonen.
Inne i China Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST).
Når kammeret er fullt, skaper detet elektrisk virvelfelt som holder plasmaet inne i kammeret, og samtidig varmer det opp, og bringer det til samme temperatur på flere millioner grader.
Siden feltet og oppvarming blir til på grunn av øke strømmen i induktoren, men den kan ikke øke i det uendelige, levetiden til plasmaet i stabil tilstand overstiger ennå ikke flere sekunder. Dette er hovedårsaken til at vi ennå ikke kan bruke tokamaks som kilde til industriell energiproduksjon. Det finnes måter å løse dette problemet på, inkludert bruk av mikrobølgestråling, men så langt pågår arbeidet i denne retningen fortsatt.
Mange jobber for å få til dettemål, har store forhåpninger til neste generasjons enhet som for tiden er under konstruksjon. ITER, eller International Thermonuclear Experimental Reactor, er et av de mest ambisiøse energiprosjektene menneskeheten noen gang har gjennomført, og involverer forskere og ingeniører fra 35 land. Når den står ferdig i 2025, vil den være verdens største kjernefysiske fusjonsenhet.
Selv om de fleste av menneskehetens ambisjonerinnen kjernefysisk fusjon knyttet til ITER, er det andre spennende muligheter. Inkludert en annen termonukleær reaktor med magnetisk innesperring - en stellarator.
Stellator - etterligner en stjerne
I likhet med tokamaks er stjernetegnene designet for åInneholder plasmastrømmer i et lukket kammer ved hjelp av magnetiske spoler, men med noen viktige forskjeller. I stedet for en fin, symmetrisk smultringform, sender stjernebildet plasma ut i uregelmessige sirkler som spinner og spinner ved hjelp av en utrolig kompleks serie av magnetiske spoler. Dette virker kontraintuitivt, men det skaper faktisk større stabilitet i plasmaet på grunn av forskjeller i indre strøm, skriver New Atlas.
I seg selv er en stellarator en type reaktor forimplementering av kontrollert termonuklear fusjon. Navnet kommer fra lat. stella - stjerne, indikerer likheten mellom prosessene som forekommer i stjernen og inne i stjernene. Oppfunnet av den amerikanske fysikeren L. Spitzer i 1950, ble den første prototypen bygget under hans ledelse året etter som en del av det hemmelige Matterhorn-prosjektet.
Wendelstein 7-X (W7-X) - eksperimentellinstallasjon for forskning på høytemperaturplasma, lokalisert i byen Greifswald i Tyskland. Byggingen ble utført av Max Planck Institute for Plasma Physics fra 2005 til 2014. Hensikten med anlegget er å teste den industrielle egnetheten til en fusjonsreaktor av stjernetypen, samt å undersøke og forbedre tekniske komponenter og teknologier innen kontrollert termonukleær fusjon.
I slike fusjonsreaktorerdet toroidale kammeret har en kompleks, slynget form, det samme gjør magnetfeltene som skapes rundt det. Denne uvanlige designen, ifølge teorien, hjelper slike reaktorer til å operere i en kontinuerlig modus, og bruker mye mindre energi enn konvensjonelle "jevn" reaktorer. tokamak-reaktorer. I tillegg gjør den komplekse konfigurasjonen av magnetfeltet det mulig å pålitelig inneholde høytemperaturplasma, noe som reduserer risikoen for kontakt med de indre veggene i reaktorkammeret. Imidlertid har slike fordeler en pris, som ligger i kompleksiteten ved å designe og produsere selve reaktoren.
I desember 2017 fullførte W7-X sin andrestadium av eksperimenter der forbedrede plasmavarme- og målesystemer ble brukt. Hovedelementet som ble testet i det andre trinnet var varmefjerningssystemet, hvis drift ikke skulle påvirke plasmaledningen. Dette verktøyet består av en kjede av magneter som danner komplekse magnetiske felt, som får plasmaet til å passere nærmere 10 varmeavlederplater. Ethvert avvik i magnetfeltene medfører en avbøyning av plasmaledningen, noe som fører til overoppheting av platene og til overdreven avkjøling og ødeleggelse av plasmaledningen.
Driften av elektromagneter, som skaper et magnetfelt, styres av et komplekst kontrollsystem som bruker mange tilbakemeldinger.
Siden stellatorer ikke krever så myeintern strøm og iboende gir større stabilitet enn tokamaks, sier Hole at de godt kan være bedre egnet til å drive nettet. Men dette er under forutsetning av at den utrolig komplekse infrastrukturen kan bygges på en billig måte og med de samme begrensningene, noe som ikke er tilfelle i sin nåværende form.
Treghetsretensjon er en radikal tilnærming
I tillegg til den magnetiske inneslutningsregionen,andre tilnærminger til kjernefusjon som faller inn under den såkalte treghetsinneslutningen. Treghetskontrollert termonukleær fusjon er en av typene termonukleær fusjon, der termonukleært drivstoff holdes av sine egne treghetskrefter. Ideen er å varme opp det termonukleære drivstoffet raskt og jevnt, slik at det resulterende plasmaet får tid til å reagere før det sprer seg. Ved bruk av dette prinsippet vil reaktoren således være pulserende. Denne nye forskningslinjen innen kjernefusjon involverer bruk av meget nøyaktig målrettede laser- eller ionestråler for raskt å varme opp en drivstoffpellet som vil være sammensatt av deuterium og tritium.
Tanken er at virkningen på dissedrivstoffpellets slik en plutselig og voldsom oppvarming vil forårsake enorme trykkrefter som utløser en kjedereaksjon gjennom materiallagene der kjernefusjon kan oppstå, og frigjør enorme mengder energi. Australia-baserte HB11 Energy ønsker å fjerne den tradisjonelle deuterium- og tritiumoppskriften til fordel for en ikke-radioaktiv tilnærming som inkluderer hydrogen og bor-b11.
Liten pellet med hydrogenborbrenselplassert i en stor sfære og truffet av to lasere samtidig for å utløse en fusjonsreaksjon som direkte genererer elektrisitet uten bruk av dampturbiner.
Selskapet hevder å unngå mange problemer,som har forfulgt kjernefysisk fusjon i flere tiår, hovedsakelig fordi den ikke prøver å varme opp drivstoffet til vanvittig høye temperaturer. Han utsetter brenselpelletene sine for to lasere, en for å skape et magnetisk innesperringsfelt og den andre for å utløse en kjedereaksjon av hydrogen og borfusjon som skaper partikler som igjen kan generere en elektrisk strøm.
Ifølge eksperter kan denne strømmen være nestendirekte til eksisterende kraftsystem. Det ville ikke være behov for en dampturbingenerator eller varmeveksler, og det ville ikke være noen fare for nedsmelting. Teamet er veldig optimistisk med tanke på teknologien og sier at eksperimentene deres viser reaksjonshastigheter en milliard ganger bedre enn forutsagt og tror utviklingsplanen deres vil være mye raskere og billigere enn andre tilnærminger.
Energien som frigjøres som et resultat av slikter i stand til å varme opp det omkringliggende drivstoffet, og hvis temperaturen er høy nok, kan den også starte en termonukleær reaksjon. Hensikten med slike installasjoner er evnen til å oppnå termonukleær "forbrenning", når prosessen med varmeutslipp forårsaker en koblingsreaksjon som påvirker en betydelig del av drivstoffet. En typisk ball med drivstoff er omtrent på størrelse med et nålhode og inneholder omtrent 10 milligram drivstoff. I praksis kan bare en liten brøkdel av dette drivstoffet brukes i en termonuklear reaksjon, men hvis alt dette drivstoffet brukes, vil det frigjøre energi som tilsvarer å brenne et fat olje.
"Dette er interessant vitenskap," sa Matthew Houle,kjernefysisk fusjonsekspert og Australian National University-forsker kjent med HB11 og forskere som jobber med prosjektet på New Atlas - Men jeg vil ikke si at det er overbevisende bevis for at du kan gjøre raskere skala enn ITER eller toroidal magnetisk inneslutning."
Ifølge Houle er nøkkelproblemet med sliketilnærmingen er at disse reaksjonene oppstår på et øyeblikk. For at teknologien skal brukes på et praktisk kraftverk, må den utvikles fra kortsiktige, engangsreaksjoner til noe som produserer en konstant tilførsel av energi, for eksempel en brennende ild.
Z-pinch - mørk hest
Et annet interessant eksempel på treghetstilnærmingeninnesperring til kjernefysisk fusjon er Z-klemmen. I fusjonsenergiforskning er det en type plasma inneslutningssystem som bruker en elektrisk strøm i plasmaet for å skape et magnetfelt som komprimerer det.
Med andre ord, i stedet for å brukestore og komplekse magnetiske spoler for å holde plasmastrømmer på plass, en tilnærming som bruker et elektromagnetisk felt som genereres i selve plasmaet. Vi kan si at dette er den mørke hesten i kjernefysisk fusjonsløp. Siden starten på 1950-tallet har pinch-effekten lovet en enklere konfigurasjon enn tokamaks eller stellaratorer. Men i likhet med disse enhetene er det også utsatt for ustabilitet i plasmaet som strekker seg utover magnetfeltlinjene.
Z-pinch retensjonssystem ved University of Washington
Forskere fra University of Washington har kommet opp meden måte å glatte ut disse buler er ved å justere plasmahydrodynamikken. Mens en lovende løsning på energiproblemet, som HB11-lasertilnærmingen, står Z-pinch fortsatt overfor store utfordringer når det gjelder å levere kontinuerlig kraft. Problemet er at det også er impulsivt.
Hva er bunnlinjen?
ITER, toroidal magnetisk inneslutningog tokamak-design er den desidert mest avanserte. Imidlertid bruker atomfusjonsforskere forskjellige tilnærminger, hver med sine egne fordeler og ulemper. Dessverre, uavhengig av tilnærmingen, krever prosessen fortsatt mer energi enn den returnerer. Men å løse disse ingeniør- og fysikkproblemene for å produsere ren energi, uansett hvor utrolig vanskelig det er, vil være en av menneskehetens største prestasjoner.
Les mer
Det første nøyaktige kartet over verden ble opprettet. Hva er galt med alle andre?
Infrarød stråling fra menneskelige hender ble brukt til kryptering
Uranus har mottatt statusen som den merkeligste planeten i solsystemet. Hvorfor?
Torus (toroid) - er en volumetriskformen som skyldes ringens rotasjon rundt rotasjonssenteret. Grove eksempler på torus vil være en smultring, bagel eller et sykkelrør fjernet fra et hjul.