Sinteza și fisiunea: care este diferența?
Fuziunea și fisiunea sunt procese diferite pentru producerea energiei nucleare.
Această energie produsă de nuclearfisiune, este captată în interiorul reactoarelor și utilizată pentru încălzirea apei în abur, care transformă o turbină și generează electricitate. Dar acest proces creează deșeuri care pot rămâne radioactive timp de milioane de ani. Situația din reactoarele de la Fukushima și Cernobâl a arătat cum ar putea rezulta acest lucru.
Pe de altă parte, fuziunea termonucleară nu va conducela formarea deșeurilor nucleare pe termen lung, iar materialele necesare pot fi reciclate în termen de 100 de ani. De asemenea, nu există pericolul unui accident, deoarece procesul se bazează pe reacții la temperaturi ridicate care se opresc în câteva secunde dacă echipamentul funcționează defectuos. Și din moment ce aceste reacții utilizează o cantitate relativ mică de combustibil, nu există niciun pericol de a le folosi pentru a produce arme nucleare.
În domeniul cercetării fuziunii nucleare existăoameni de știință care se străduiesc să atingă un scop - să recreeze procesele pe care Soarele însuși le folosește pentru a produce o cantitate uriașă de energie. Forțe gravitaționale enorme captează hidrogenul din atmosfera soarelui și folosesc căldură și presiune intense pentru a transforma gazul în plasmă. În el, nucleii se ciocnesc cu viteză mare, formând heliu și eliberând energie.
Un alt factor cheie este gravitația.Forțele gravitaționale colosale ale Soarelui sunt de aproximativ 28 de ori mai mari decât aici pe Pământ. Oamenii de știință au trebuit să fie creativi în limitarea combustibilului pentru reacțiile de fuziune nucleară. Cea mai preferată abordare, așa cum este acum, este utilizarea câmpurilor magnetice, care pot fi folosite pentru a păstra două forme grele de hidrogen, deuteriu și tritiu, într-un dispozitiv numit tokamak.
Tokamak - mari speranțe
Cuvântul „tokamak” în sine nu este nimicnu denotă este doar o abreviere, care a devenit ulterior un cuvânt cu drepturi depline. Este folosit nu numai în Rusia, ci și în străinătate, deoarece în țara noastră a fost inventat acest lucru și aici s-au dezvoltat activ pentru o lungă perioadă de timp.
Tokamak este o cameră toroidală cu bobine magnetice. Asta e tot.
Esența unui tokamak se rezumă la a creacâmp magnetic în care va avea loc reacția de fuziune termonucleară. Deoarece temperatura unei astfel de reacții nu este doar ridicată, ci și literalmente prohibitivă (câteva milioane de grade Celsius), nu poate fi efectuată pur și simplu într-un fel de cameră - se va topi cu mult înainte ca temperatura de funcționare să fie atinsă.
Această temperatură se realizează datorită faptului căÎn interiorul tokamakului, substanța se află în a patra stare de agregare, care se realizează la temperaturi atât de ridicate. Această stare se numește plasmă Pe Pământ, plasma în mediul natural se găsește numai în fulgere și aurora boreală în spațiu, literalmente totul este format din ea - stele, nebuloase, spațiu interstelar.
În interiorul clădirii care va găzdui cel mai mare reactor tokamak din lume.
Primul care propune utilizarea termonuclearelorsinteza, inclusiv în scopuri industriale, a fost fizicianul sovietic O.A. Lavrentiev. A făcut acest lucru în munca sa din 1950. Cu lucrarea sa a început studiul modalităților de utilizare a fuziunii termonucleare.
Un an mai târziu, alți fizicieni — A.D.Saharov și I.E. Tamm — a dezvoltat ideea și a spus că reacția termonucleară ar trebui menținută în interiorul unei camere toroidale închise. Pentru a crea un câmp magnetic în interiorul tokamak-ului, acesta este alcătuit din secțiuni cu bobine înfășurate în interiorul lor. Deoarece parcurg întreaga lungime a camerei și creează ceva asemănător unui tunel închis, câmpul magnetic rezultat se numește toroidal. Aceasta este zona de lucru a instalației.
În interiorul Tokamak supraconductor experimental avansat din China (EST).
Când camera este plină, se creeazăun câmp electric vortex care menține plasma în interiorul camerei și, în același timp, o încălzește, aducând-o la aceeași temperatură de câteva milioane de grade.
Deoarece câmpul și încălzirea sunt create datorită creșterea curentului în inductor, dar nu poate crește la infinit, durata de viață a plasmei într-o stare stabilă nu depășește încă câteva secunde. Acesta este motivul principal pentru care încă nu putem folosi tokamak-urile ca sursă de producție industrială de energie. Există modalități de a rezolva această problemă, inclusiv utilizarea radiațiilor cu microunde, dar până acum lucrările în această direcție sunt încă în desfășurare.
Mulți oameni lucrează pentru a realiza acest lucruobiective, au mari speranțe pentru dispozitivul de generație următoare care este în prezent în construcție. ITER, sau Reactorul Experimental Termonuclear Internațional, este unul dintre cele mai ambițioase proiecte energetice pe care omenirea le-a întreprins vreodată, implicând oameni de știință și ingineri din 35 de țări. Când va fi finalizat în 2025, va fi cel mai mare dispozitiv de fuziune nucleară din lume.
Deși majoritatea ambițiilor umanitățiiîn domeniul fuziunii nucleare asociate cu ITER, există și alte oportunități interesante. Inclusiv un alt reactor termonuclear cu izolare magnetică - un stellarator.
Stellator - imitând o stea
La fel ca tokamak-urile, stellaratorii sunt proiectați săConțin fluxuri de plasmă într-o cameră închisă folosind bobine magnetice, dar cu unele diferențe cheie. În loc de o formă de gogoașă frumoasă și simetrică, stellaratorul trimite plasmă în cercuri neregulate care se rotesc și se învârt folosind o serie incredibil de complexă de bobine magnetice. Acest lucru pare contraintuitiv, dar de fapt creează o stabilitate mai mare în plasmă datorită diferențelor de curent intern, scrie New Atlas.
În sine, un stellarator este un tip de reactor pentruimplementarea fuziunii termonucleare controlate. Numele provine de la lat. stea - stea, indică similaritatea proceselor care au loc în stelar și în interiorul stelelor. Inventat de fizicianul american L. Spitzer în 1950, primul prototip a fost construit sub conducerea sa în anul următor ca parte a proiectului secret Matterhorn.
Wendelstein 7-X (W7-X) - experimentalinstalație pentru cercetarea plasmei la temperaturi ridicate, situată în orașul Greifswald din Germania. Construcția sa a fost realizată de Institutul Max Planck pentru fizica plasmei în perioada 2005-2014. Scopul instalației este de a testa adecvarea industrială a unui reactor de fuziune de tip stellarator, precum și de a cerceta și îmbunătăți componentele tehnologice și tehnologiile din domeniul fuziunii termonucleare controlate.
În astfel de reactoare de fuziunecamera toroidală are o formă complexă, sinuoasă, la fel ca și câmpurile magnetice create în jurul ei. Acest design neobișnuit, conform teoriei, ajută astfel de reactoare să funcționeze într-un mod continuu, cheltuind mult mai puțină energie decât reactoarele convenționale „chite”. reactoare de tip tokamak. În plus, configurația complexă a câmpului magnetic face posibilă reținerea fiabilă a plasmei la temperatură ridicată, ceea ce reduce riscul contactului acesteia cu pereții interni ai camerei reactorului. Cu toate acestea, astfel de avantaje au un preț, care constă în complexitatea proiectării și fabricării reactorului în sine.
În decembrie 2017, W7-X și-a finalizat al doileaetapă a experimentelor în care s-au folosit sisteme îmbunătățite de încălzire cu plasmă și de măsurare. Elementul principal care a fost testat în a doua etapă a fost sistemul de îndepărtare a căldurii, a cărui funcționare nu ar trebui să afecteze cablul de plasmă. Acest instrument constă dintr-un lanț de magneți care formează câmpuri magnetice complexe, forțând plasma să treacă aproape de 10 plăci radiatoare. Orice abatere a câmpurilor magnetice atrage după sine o deviație a cordonului de plasmă, ceea ce duce la supraîncălzirea plăcilor și la răcirea excesivă și distrugerea cordonului de plasmă.
Lucrarea electro-magneților, care creează un câmp magnetic, este controlată de un sistem complex de control care folosește multe feedback-uri.
Întrucât stelarii nu necesită atât de multcurent intern și oferă în mod inerent o stabilitate mai mare decât tokamak-urile, Hole spune că pot fi mai potrivite pentru alimentarea rețelei. Dar aceasta este condiția ca infrastructura incredibil de complexă să poată fi construită într-un mod ieftin și cu aceleași constrângeri, ceea ce nu este cazul în forma sa actuală.
Retenția inerțială este o abordare radicală
Pe lângă regiunea de izolare magnetică,alte abordări ale fuziunii nucleare care se încadrează în așa-numita închidere inerțială. Fuziunea termonucleară controlată prin inerție este unul dintre tipurile de fuziune termonucleară, în care combustibilul termonuclear este deținut de propriile sale forțe inerțiale. Ideea este de a încălzi rapid și uniform combustibilul termonuclear, astfel încât plasma rezultată să aibă timp să reacționeze înainte de împrăștiere. Astfel, atunci când se utilizează acest principiu, reactorul va fi pulsat. Această nouă linie de cercetare în fuziunea nucleară implică utilizarea laserelor sau a fasciculelor de ioni foarte precis direcționate pentru a încălzi rapid o peletă de combustibil care va fi compusă din deuteriu și tritiu.
Ideea este că impactul asupra acestorapeletele de combustibil, o încălzire atât de bruscă și violentă, vor provoca forțe de compresie enorme care declanșează o reacție în lanț prin straturile de material în care se poate produce fuziunea nucleară, eliberând cantități enorme de energie. HB11 Energy, cu sediul în Australia, încearcă să elimine rețeta tradițională de deuteriu și tritiu în favoarea unei abordări non-radioactive care include hidrogen și bor-b11.
Mică peletă de combustibil hidrogen-borplasat într-o sferă mare și lovit de două lasere simultan pentru a declanșa o reacție de fuziune care generează în mod direct electricitate fără a utiliza turbine cu abur.
Compania pretinde că evită multe probleme,care au urmărit fuziunea nucleară de zeci de ani, în mare parte pentru că nu încearcă să-și încălzească combustibilul la temperaturi nebunește de ridicate. El își expune peleții de combustibil la două lasere, unul pentru a crea un câmp de izolare magnetică și al doilea pentru a declanșa o reacție în lanț de fuziune a hidrogenului și borului care creează particule care pot genera, la rândul lor, un curent electric.
Potrivit experților, acest curent poate fi aproapedirect la sistemul de alimentare existent. Nu ar fi nevoie de un generator de turbină cu abur sau un schimbător de căldură și nu ar exista riscul de topire. Echipa este foarte optimistă cu privire la tehnologia sa și spune că experimentele sale arată viteze de reacție de un miliard de ori mai bune decât cele prognozate și consideră că planul său de dezvoltare va fi mult mai rapid și mai ieftin decât alte abordări.
Energia care este eliberată ca rezultat al acestui lucrude reacție, este capabil să încălzească combustibilul înconjurător și, dacă temperatura este suficient de ridicată, poate începe și o reacție termonucleară. Scopul unor astfel de instalații este capacitatea de a realiza o „combustie” termonucleară, atunci când procesul de eliberare a căldurii determină o reacție de legătură care afectează o parte semnificativă a combustibilului. O minge tipică de combustibil are dimensiunea unui cap de ac și conține aproximativ 10 miligrame de combustibil. În practică, doar o mică parte din acest combustibil poate fi utilizată într-o reacție termonucleară, dar dacă se folosește tot acest combustibil, acesta va elibera energie echivalentă cu arderea unui butoi de petrol.
„Aceasta este știință interesantă”, a spus Matthew Houle,Expert în fuziune nucleară și cercetător la Universitatea Națională din Australia, familiarizat cu HB11 și cercetătorii care lucrează la proiectul de la New Atlas - Dar nu aș nu spun că există dovezi convingătoare că ați putea s-o transformați într-o centrală electrică. scară mai rapidă decât ITER sau izolare magnetică toroidală.”
Potrivit lui Houle, problema cheie cu astfel deabordări este că aceste reacții apar cât ai clipi. Pentru ca tehnologia să fie aplicată unei centrale electrice practice, trebuie să evolueze de la reacții pe termen scurt, unice, la ceva care produce o aprovizionare constantă cu energie, cum ar fi un incendiu.
Z-pinch - cal întunecat
Un alt exemplu interesant de abordare inerțialălimitarea la fuziunea nucleară este Z-pinch În cercetarea energiei de fuziune, este un tip de sistem de izolare a plasmei care utilizează un curent electric în plasmă pentru a crea un câmp magnetic care o comprimă.
Cu alte cuvinte, în loc să foloseștibobine magnetice mari și complexe pentru a menține fluxurile de plasmă în loc, o abordare care utilizează un câmp electromagnetic care este generat în plasmă însăși. Putem spune că acesta este calul întunecat în cursa fuziunii nucleare. De la începuturile sale în anii 1950, efectul de ciupire a promis o configurație mai simplă decât tokamak-urile sau stellaratorii. Dar, la fel ca aceste dispozitive, și supusă instabilității în plasmă care se extinde dincolo de liniile câmpului magnetic.
Sistem de reținere a pinch-ului Z la Universitatea din Washington
Oamenii de știință de la Universitatea din Washington au venit cuo modalitate de a netezi aceste umflături este prin ajustarea hidrodinamicii plasmei. În timp ce o soluție promițătoare la problema energiei, cum ar fi abordarea cu laser HB11, Z-pinch se confruntă în continuare cu provocări majore atunci când vine vorba de furnizarea de energie continuă. Problema este că are și o natură impulsivă.
Care este linia de jos?
ITER, confinare magnetică toroidalăși designul tokamak sunt de departe cele mai avansate. Cu toate acestea, cercetătorii în fuziunea nucleară folosesc abordări diferite, fiecare având propriile avantaje și dezavantaje. Din păcate, indiferent de abordare, procesul încă necesită mai multă energie decât returnează. Dar rezolvarea acestor probleme de inginerie și fizică pentru a produce energie curată, oricât de dificilă ar fi, va fi una dintre cele mai mari realizări ale umanității.
Citeste mai mult
A fost creată prima hartă exactă a lumii. Ce este în neregulă cu toți ceilalți?
Radiația infraroșie de la mâinile omului a fost utilizată pentru criptare
Uranus a primit statutul de cea mai ciudată planetă din sistemul solar. De ce?
Torus (toroid) - este un volumetricforma rezultată din rotația inelului în jurul centrului de rotație. Exemple aproximative de torus ar fi o gogoșă, un covrig sau un tub de bicicletă îndepărtat de pe o roată.