Ce este fuziunea nucleară?
Fuziunea nucleară (în acest caz vorbim despre fuziunea termonucleară) este reacția
Conform astrofizicii modernenoțiuni, principala sursă de energie a Soarelui și a altor stele este fuziunea termonucleară care are loc în adâncurile lor. În condiții terestre, se efectuează odată cu explozia unei bombe cu hidrogen. Fuziunea termonucleară este însoțită de o eliberare colosală de energie pe unitate de masă de substanțe care reacționează (de aproximativ 10 milioane de ori mai mult decât în reacțiile chimice). Prin urmare, este de mare interes să stăpânești acest proces și, pe baza acestuia, să creezi o sursă de energie ieftină și ecologică. Cu toate acestea, în ciuda faptului că mari echipe științifice și tehnice din multe țări dezvoltate sunt angajate în cercetări privind fuziunea termonucleară controlată (CTF), există încă multe probleme complexe de rezolvat înainte ca producția industrială de energie termonucleară să devină realitate.
Centrale nucleare moderne care utilizează procesuldivizii, satisfac doar parțial nevoile de energie electrică ale lumii. Combustibilul pentru acestea sunt elementele radioactive naturale uraniu și toriu, a căror abundență și rezerve în natură sunt foarte limitate; prin urmare, multe țări se confruntă cu problema importului acestora. Componenta principală a combustibilului termonuclear este izotopul hidrogenului deuteriu, care se găsește în apa de mare. Rezervele sale sunt disponibile publicului și sunt foarte mari (Oceanul Mondial acoperă ~71% din suprafața Pământului, iar deuteriul reprezintă aproximativ 0,016% din numărul total de atomi de hidrogen care formează apa).
În plus față de disponibilitatea combustibilului, sursele de energie termonucleară au următoarele avantaje importante față de centralele nucleare:
- reactorul CTS conține mult mai puține materiale radioactive decât un reactor de fisiune nucleară și, prin urmare, consecințele unei eliberări accidentale de produse radioactive sunt mai puțin periculoase;
- reacțiile termonucleare generează deșeuri radioactive cu durată mai mică de viață;
- TCB permite generarea directă de energie electrică.
Implementarea cu succes a reacției de fuziune depinde de proprietățile nucleelor atomice utilizate și de posibilitatea de a obține o plasmă densă la temperatură ridicată, care este necesară pentru a iniția reacția.
Cum se eliberează energia în timpul fuziunii?
Eliberarea de energie în timpul fuziunii nucleare se datoreazăforțe de atracție extrem de intense care acționează în interiorul miezului; aceste forțe țin împreună protonii și neutronii care alcătuiesc nucleul. Sunt foarte intense și se descompun extrem de repede odată cu distanța. În plus față de aceste forțe, protonii încărcați pozitiv creează forțe respingătoare electrostatice. Raza de acțiune a forțelor electrostatice este mult mai mare decât cea a forțelor nucleare, astfel încât acestea încep să prevaleze atunci când nucleele sunt îndepărtate unele de altele.
În condiții normale, energia cinetică a nucleeloratomii ușori sunt prea mici pentru a depăși repulsia electrostatică, s-ar putea apropia și intra într-o reacție nucleară. Cu toate acestea, repulsia poate fi depășită prin forță "brută", de exemplu, prin coliziune de nuclee cu viteză relativă mare.
De ce oamenii de știință fac fuziune nucleară?
Cercetători care dezvoltă termonucleareun reactor care poate genera mai multă energie decât consumă a arătat într-o serie de lucrări recente că proiectele lor trebuie să funcționeze, redând optimismul că această sursă curată și nelimitată de energie va ajuta la atenuarea crizei climatice.
Un grup de cercetători din MassachusettsInstitutul de Tehnologie (MIT) și alte institute declară că reactorul compact de fuziune SPARC va funcționa în realitate. Cel puțin în teorie, așa cum susțin ei într-o serie de studii publicate recent.
Echipa subliniază că în etapele de planificare nrnu s-au găsit obstacole sau surprize neașteptate. Acest lucru este afirmat în șapte articole scrise de 47 de cercetători din 12 instituții științifice diferite.
Deși noul reactor este încă în construcțieÎn primele etape de dezvoltare, oamenii de știință speră că ar putea începe să producă electricitate până la sfârșitul deceniului. Martin Greenwald, unul dintre oamenii de știință seniori ai proiectului, a declarat pentru The Guardian că o motivație cheie pentru calendarul ambițios este satisfacerea nevoilor de energie într-un climat care se încălzește. „Fuziunea pare să fie una dintre posibilele soluții pentru a ieși din catastrofa climatică care se profilează”, a spus el.
Care este problema fuziunii și cum poate ajuta planeta?
Fuziunea nucleară, un proces fizic carealimentarea soarelui nostru apare atunci când atomii se ciocnesc la temperaturi și presiuni extrem de ridicate, determinându-i să elibereze cantități masive de energie prin fuzionarea cu atomi mai grei.
De când a a fost descoperit pentru prima datăÎn ultimul secol, oamenii de știință au căutat să valorifice fuziunea nucleară, o formă extrem de densă de energie al cărei combustibil - izotopi de hidrogen - este abundent și completat. Mai mult, fuziunea nucleară nu produce gaze cu efect de seră sau carbon și, spre deosebire de reactoarele de fisiune nucleară, nu prezintă riscul unei topiri.
Cu toate acestea, utilizarea acestei forme de energie nuclearăs-a dovedit extrem de dificil pentru că a necesitat încălzirea „supei de particule subatomice” – plasma – la sute de milioane de grade – prea fierbinte pentru a fi manipulată de orice recipient. Pentru a evita acest lucru, oamenii de știință au dezvoltat o cameră în formă de gogoașă, cu un câmp magnetic puternic care trece prin ea, numită tokamak, care ține plasma pe loc.
Ce se dezvoltă deja?
Massachusetts Institute of Technology Scientistsși filiala Commonwealth Fusion Systems au început proiectarea unui nou reactor, mai compact decât predecesorii săi, la începutul anului 2018, cu construcția care va începe în prima jumătate a anului viitor. Dacă programul lor merge conform planului, un reactor numit Sparc ar putea produce electricitate pentru rețea până în 2030, potrivit cercetătorilor și oficialilor companiei. Acest lucru va fi mult mai rapid decât inițiativele majore existente în domeniul energiei de fuziune.
Proiectele actuale ale reactoarelor sunt prea mariși drumuri pentru a genera efectiv electricitate pentru consumatori. Folosind magneți de ultimă oră, ultra-puternici, echipa MIT și Commonwealth Fusion speră să creeze un reactor tokamak compact, eficient și scalabil. „Ceea ce am făcut cu adevărat este să combinăm știința existentă cu materiale noi pentru a deschide noi posibilități enorme”, a spus Greenwald.
După ce a demonstrat că dispozitivul Sparcar putea produce teoretic mai multă energie decât este necesar pentru funcționare, în lucrările de cercetare publicate în septembrie, următorul pas este construirea unui reactor și apoi a unei centrale pilot care va genera electricitate pe rețea.
Toate avantajele și dezavantajele fuziunii nucleare
Oamenii de știință și antreprenorii au promis de mult acest lucrufuziunea termonucleară este chiar după colț, dar se confruntă cu probleme de netrecut. Acest lucru a provocat reticența de a investi în acesta, mai ales că eoliene, solare și alte surse de energie regenerabile, deși mai puțin puternice decât fuziunea, au devenit mai eficiente și mai rentabile.
Dar situația se schimbă.În planul lui Biden de 2 trilioane de dolari, el a numit tehnologia nucleară avansată parte a unei strategii de decarbonizare. Democrații au sprijinit energia nucleară pentru prima dată din 1972. Investiții semnificative provin, de asemenea, din surse private, inclusiv unele mari companii de petrol și gaze, care consideră fuziunea ca un punct de sprijin mai bun pe termen lung decât vântul și soarele.
Potrivit lui Bob Mumgaard, director executivDirector al Commonwealth Fusion, scopul nu este de a folosi fuziunea pentru a înlocui energia solară și eoliană, ci de a le completa. „Există lucruri care vor fi dificil de făcut doar cu energia regenerabilă, la scară industrială, cum ar fi alimentarea orașelor mari sau producția”, a spus el. „Acolo poate fi utilă sinteza.”
Comunitatea plasmatică, în ansamblu, este entuziasmată de progresele Sparc, deși unii au pus la îndoială cronologia ambițioasă, având în vedere obstacolele tehnice și de reglementare.
Daniel Jessby, 25 de ani de cercetare științificăun asociat la Laboratorul Princeton de Fizică a Plasmei, este sceptic dacă un reactor de fuziune precum SPARC ar putea deveni vreodată o posibilă sursă de energie alternativă. Tritium, unul dintre izotopii hidrogenului pe care Sparc îl va folosi ca combustibil, nu apare în natură și trebuie produs, a spus el.
Echipa tehnologică din MassachusettsInstitutul presupune că această substanță va fi regenerată continuu de reacția de sinteză însăși. Dar Jessby crede că acest lucru va necesita o cantitate uriașă de energie electrică, ceea ce face ca reactorul să fie scump în mod prohibitiv. „Când credeți că obținem energie solară și eoliană gratuit, ar fi o prostie să ne bazăm pe o reacție de fuziune”, conchide el.
Citeste mai mult
Cercetare: oamenii nu vor putea controla mașinile superinteligente AI
Avortul și știința: ce se va întâmpla cu copiii care vor naște
Vedeți cele mai frumoase imagini ale Hubble. Ce a văzut telescopul în 30 de ani?