Co to jest fuzja jądrowa?
Reakcją jest synteza jądrowa (w tym przypadku mówimy o syntezie termojądrowej).
Według współczesnej astrofizykiPojęcia, głównym źródłem energii Słońca i innych gwiazd jest synteza termojądrowa zachodząca w ich głębi. W warunkach lądowych odbywa się to wraz z wybuchem bomby wodorowej. Fuzji termojądrowej towarzyszy kolosalne uwalnianie energii na jednostkę masy reagujących substancji (około 10 milionów razy więcej niż w reakcjach chemicznych). Dlatego bardzo interesujące jest opanowanie tego procesu i na jego podstawie stworzenie taniego i przyjaznego środowisku źródła energii. Jednak pomimo faktu, że duże zespoły naukowo-techniczne w wielu krajach rozwiniętych są zaangażowane w badania nad kontrolowaną syntezą termojądrową (CTF), nadal istnieje wiele złożonych problemów do rozwiązania, zanim przemysłowa produkcja energii termojądrowej stanie się rzeczywistością.
Nowoczesne elektrownie jądrowe wykorzystujące ten procesoddziałów, jedynie częściowo zaspokajają światowe zapotrzebowanie na energię elektryczną. Paliwem dla nich są naturalne pierwiastki promieniotwórcze uran i tor, których obfitość i zasoby w przyrodzie są bardzo ograniczone; dlatego wiele krajów stoi przed problemem ich importu. Głównym składnikiem paliwa termojądrowego jest deuter, izotop wodoru, występujący w wodzie morskiej. Jego zasoby są ogólnodostępne i bardzo duże (Ocean Światowy zajmuje ~71% powierzchni Ziemi, a deuter stanowi około 0,016% całkowitej liczby atomów wodoru tworzących wodę).
Oprócz dostępności paliwa źródła energii termojądrowej mają następujące ważne zalety w stosunku do elektrowni jądrowych:
- reaktor CTS zawiera znacznie mniej materiałów promieniotwórczych niż reaktor rozszczepienia jądrowego, dlatego konsekwencje przypadkowego uwolnienia produktów promieniotwórczych są mniej niebezpieczne;
- reakcje termojądrowe generują mniej długożyciowych odpadów radioaktywnych;
- TCB umożliwia bezpośrednie wytwarzanie energii elektrycznej.
Pomyślne wdrożenie reakcji fuzji zależy od właściwości użytych jąder atomowych i możliwości uzyskania gęstej plazmy wysokotemperaturowej, która jest niezbędna do zainicjowania reakcji.
Jak jest uwalniana energia podczas syntezy?
Następuje uwolnienie energii podczas syntezy jądrowejniezwykle intensywne siły przyciągania działające wewnątrz rdzenia; siły te trzymają razem protony i neutrony, które tworzą jądro. Są bardzo intensywne i bardzo szybko rozkładają się wraz z dystansem. Oprócz tych sił dodatnio naładowane protony wytwarzają elektrostatyczne siły odpychające. Promień działania sił elektrostatycznych jest znacznie większy niż sił jądrowych, więc zaczynają dominować, gdy jądra są od siebie oddzielane.
W normalnych warunkach energia kinetyczna jąderlekkie atomy są zbyt małe, aby przezwyciężyć odpychanie elektrostatyczne, mogą zbliżyć się i wejść w reakcję jądrową. Jednak odpychanie można pokonać za pomocą „brutalnej” siły, na przykład przez zderzanie się jąder z dużą prędkością względną.
Dlaczego naukowcy zajmują się syntezą jądrową?
Naukowcy opracowujący technologię termojądrowąreaktor, który może generować więcej energii niż zużywa, pokazał w serii ostatnich prac, że ich projekty muszą działać, przywracając optymizm, że to czyste, nieograniczone źródło energii pomoże złagodzić kryzys klimatyczny.
Grupa naukowców z MassachusettsInstytut Technologii (MIT) i inne instytuty deklarują, że kompaktowy reaktor termojądrowy SPARC będzie działał w rzeczywistości. Przynajmniej w teorii, jak twierdzą w serii niedawno opublikowanych badań.
Zespół zwraca uwagę, że na etapie planowania nienie znaleziono żadnych nieoczekiwanych przeszkód ani niespodzianek. Świadczy o tym siedem artykułów napisanych przez 47 badaczy z 12 różnych instytucji naukowych.
Chociaż nowy reaktor jest wciąż w budowieNaukowcy mają nadzieję, że będzie on na wczesnym etapie rozwoju mógł rozpocząć produkcję energii elektrycznej przed końcem dekady. Martin Greenwald, jeden ze starszych naukowców projektu, powiedział dziennikowi The Guardian, że kluczową motywacją dla ambitnego harmonogramu jest zaspokojenie zapotrzebowania na energię w ocieplającym się klimacie. „Wydaje się, że synteza termojądrowa jest jednym z możliwych rozwiązań pozwalających wyjść z grożącej katastrofy klimatycznej” – stwierdził.
Jaki jest problem z fuzją i jak może pomóc planecie?
Fuzja jądrowa, to fizyczny proceszasilanie naszego słońca następuje, gdy atomy zderzają się ze sobą w ekstremalnie wysokich temperaturach i ciśnieniach, powodując uwalnianie ogromnych ilości energii poprzez łączenie się z cięższymi atomami.
Odkąd został odkrytyW ubiegłym stuleciu naukowcy starali się wykorzystać syntezę jądrową, niezwykle gęstą formę energii, której paliwo – izotopy wodoru – jest obfite i uzupełniane. Co więcej, synteza jądrowa nie powoduje emisji gazów cieplarnianych ani węgla i, w przeciwieństwie do reaktorów rozszczepienia jądrowego, nie niesie ze sobą ryzyka stopienia.
Jednak wykorzystanie tej formy energii jądrowejokazało się niezwykle trudne, ponieważ wymagało podgrzania „zupy cząstek subatomowych” – plazmy – do temperatury setek milionów stopni – zbyt gorącej, aby jakikolwiek pojemnik mógł ją udźwignąć. Aby obejść ten problem, naukowcy opracowali komorę w kształcie pączka, przez którą przepływa silne pole magnetyczne, zwaną tokamakiem, która utrzymuje plazmę w miejscu.
Co już jest opracowywane?
Massachusetts Institute of Technology Scientistsa spółka zależna Commonwealth Fusion Systems rozpoczęła projektowanie nowego reaktora, bardziej kompaktowego niż jego poprzednicy, na początku 2018 r., a jego budowa miała się rozpocząć w pierwszej połowie przyszłego roku. Jeśli ich harmonogram pójdzie zgodnie z planem, reaktor o nazwie Sparc mógłby produkować energię elektryczną do sieci do 2030 r. - twierdzą naukowcy i przedstawiciele firmy. Będzie to znacznie szybsze niż istniejące główne inicjatywy w zakresie energii termojądrowej.
Obecne projekty reaktorów są zbyt dużei drogi, aby faktycznie wytwarzać energię elektryczną dla konsumentów. Wykorzystując najnowocześniejsze, niezwykle mocne magnesy, zespół MIT i Commonwealth Fusion ma nadzieję stworzyć kompaktowy, wydajny i skalowalny reaktor tokamak. „To, co tak naprawdę zrobiliśmy, to połączenie istniejącej nauki z nowym materiałem, aby otworzyć ogromne nowe możliwości” – powiedział Greenwald.
Po zademonstrowaniu, że urządzenie Sparcmógłby teoretycznie wyprodukować więcej energii niż jest wymagane do działania, w publikacjach naukowych opublikowanych we wrześniu kolejnym krokiem jest budowa reaktora, a następnie instalacji pilotażowej, która będzie wytwarzać energię elektryczną w sieci.
Wszystkie zalety i wady syntezy jądrowej
Naukowcy i przedsiębiorcy od dawna to obiecująfuzja termojądrowa jest tuż za rogiem, ale napotkała problemy nie do przezwyciężenia. Spowodowało to niechęć do inwestowania w nią, zwłaszcza że wiatr, słońce i inne odnawialne źródła energii, choć słabsze niż synteza jądrowa, stały się bardziej wydajne i opłacalne.
Ale sytuacja się zmienia.W planie Bidena o wartości 2 bilionów dolarów nazwał zaawansowaną technologię jądrową częścią strategii dekarbonizacji. Demokraci poparli energię jądrową po raz pierwszy od 1972 roku. Znaczące inwestycje pochodzą również ze źródeł prywatnych, w tym niektórych dużych firm naftowych i gazowych, które postrzegają syntezę jądrową jako lepszą długoterminową podstawę niż wiatr i słońce.
Według Boba Mumgaarda, dyrektora wykonawczegoDyrektor Commonwealth Fusion, celem nie jest wykorzystanie syntezy termojądrowej w celu zastąpienia energii słonecznej i wiatrowej, ale ich uzupełnienie. „Są rzeczy, które trudno będzie osiągnąć przy użyciu samej energii odnawialnej na skalę przemysłową, takie jak zasilanie dużych miast czy produkcja” – powiedział. „W tym miejscu synteza może się przydać”.
Cała społeczność plazmowa jest entuzjastycznie nastawiona do postępów Sparca, chociaż niektórzy kwestionują ambitny harmonogram, biorąc pod uwagę przeszkody techniczne i regulacyjne.
Daniel Jessby, 25 lat badań naukowychwspółpracownik z Princeton Laboratory of Plasma Physics, jest sceptyczny, czy reaktor termojądrowy, taki jak SPARC, mógłby kiedykolwiek stać się możliwym alternatywnym źródłem energii. Powiedział, że tryt, jeden z izotopów wodoru, którego Sparc będzie używał jako paliwo, nie występuje w przyrodzie i musi być produkowany.
Zespół technologiczny MassachusettsInstytut zakłada, że substancja ta będzie w sposób ciągły regenerowana przez samą reakcję syntezy. Ale Jessby uważa, że będzie to wymagało ogromnej ilości energii elektrycznej, co spowoduje, że reaktor będzie zbyt drogi. „Kiedy myślisz, że otrzymujemy energię słoneczną i wiatrową za darmo, głupotą byłoby polegać na reakcji termojądrowej” - podsumowuje.
Czytaj więcej
Badania: ludzie nie będą w stanie kontrolować superinteligentnych maszyn AI
Aborcja i nauka: co stanie się z dziećmi, które będą rodzić
Zobacz najpiękniejsze zdjęcia Hubble'a. Co teleskop widział przez 30 lat?