Prečo je potrebná termonukleárna energia?
Aby sa zabránilo zvýšeniu globálnej teploty o viac ako 1,5
Čo keby existovalo jedno energetické riešenie, ktoré by dokázalo vyriešiť všetky tieto naliehavé problémy? Aj keď to znie fantasticky, existuje.
Jedna z najsilnejších foriem energie, ktorú dnes používame, je jadrová energia. Aj keď je moderná jadrová energia mimoriadne efektívna a vytvára nulové emisie uhlíka, má veľa nevýhod a sú vážne: potenciálne jadrové taveniny a rádioaktívny odpad, ktoré zostávajú nebezpečné tisíce rokov.
Existuje však lepší spôsob.
Čo je termonukleárna fúzia a ako sa dá aplikovať na Zemi?
Všetky súčasné jadrové reaktory pracujú spomocou štiepenia jadra, procesu štiepenia atómov na výrobu energie. Vedci si už roky kladú otázku, ako môžeme na uspokojenie rastúcich energetických potrieb na Zemi využiť reverzný proces - jadrovú fúziu, ktorá „poháňa“ slnko spojením atómov. Samotná termonukleárna fúzia je supervýkonný proces, niekoľkonásobne výkonnejší ako štiepenie, ktorý nevedie k tvorbe jadrového odpadu, pretože jeho palivom nie je urán alebo plutónium, ale vodík. V skutočnosti, ak bude vývoj termonukleárneho reaktora úspešný, vedci vytvoria na Zemi „mini-slnko“.
„Dosiahnutie riadených termonukleárnych reakcií,ktoré spotrebúvajú viac energie, ako je potrebné na ich výrobu, a sú komerčne považované za potenciálnu reakciu na zmenu podnebia, “vysvetľuje vedecký korešpondent Nathaniel Gronevold pre Scientific American. „Fúzna energia vylúči potrebu fosílnych palív a vyrieši problémy s diskontinuitou a spoľahlivosťou, ktoré sú vlastné obnoviteľným zdrojom. Energia sa bude vyrábať bez nebezpečného množstva žiarenia, ktoré vyvoláva obavy z energie štiepenia jadra. ““
Úradníci medzinárodného termonukleáraExperimentálny reaktor (ITER), nadnárodný projekt so sídlom na juhu Francúzska, oznámil, že teraz sú len 6,5 roka od historického míľnika od First Plasma. Podľa tlačovej správy tento týždeň je projekt ITER podporovaný konzorciom 35 krajín dokončený na 65%. Novoinštalovaná časť - základňa kryostatu a spodný valec - pripravuje cestu pre inštaláciu tokamaku, technologickej štruktúry zvolenej na umiestnenie silného magnetického poľa, ktoré by obklopovalo fúzne jadro veľmi horúcej plazmy.
Problémy jadrovej syntézy
Jadrová fúzia je tak ťažko dosiahnuteľná kvôliextrémne podmienky - napríklad v jadre Slnka - ktoré je potrebné reprodukovať tu na Zemi. Ako je vysvetlené na americkom ministerstve energetiky, „termonukleárne reakcie študujú vedci, ale je ťažké ich udržať po dlhú dobu kvôli enormnému tlaku a teplote potrebnej na fúziu jadier“.
Energia jadrovej syntézy si vyžaduje obmedzenieveľmi horúca plazma pod vysokým tlakom. Magnetické obmedzenie veľmi horúcej – mnohokrát teplejšej ako stred Slnka – plazmy vyžaduje silné magnetické polia. Musia byť 10-násobkom atmosférického tlaku na povrchu Zeme. Sila magnetického poľa je kritickým parametrom pri dosahovaní týchto podmienok, pretože poskytuje izoláciu na udržanie horúcej plazmy a vonkajší tlak na udržanie jej stability – to všetko bez fyzického kontaktu medzi plazmou a povrchom materiálu.
Hoci jadrová fúzia produkujeneuveriteľné vyhliadky na vyriešenie niektorých z najťažších problémov moderného sveta, čas tiká a mnohí odborníci tvrdia, že aj keď je fúzia hneď za rohom, čas nie je na našej strane. Hoci sa očakáva, že ITER bude spustený do roku 2025 a plne funkčný okolo roku 2035, môže byť už neskoro. V roku 2019 odborníci na klímu tvrdili, že 12-ročná lehota, ktorú medzivládny panel dal svetu na zvrátenie meniacej sa situácie na planéte, sa možno bude musieť skrátiť na 18 mesiacov. Hans Joachim Schellnhuber z Potsdamského klimatického inštitútu to pred rokom vysvetlil takto: „Klimatická matematika je krištáľovo jasná: aj keď svet možno nebude v najbližších rokoch vyliečený, pred rokom 2020 môže byť smrteľne zranený z nedbanlivosti.
Tento týždeň sa však nádeje na čistú energiu znovu vzbudili.
Projekt SPARC
Vedci vyvíjajú kompaktnú verziuV sérii výskumných prác sa ukázalo, že reaktor jadrovej syntézy funguje, čo oživuje nádeje, že dlho nepolapiteľný cieľ napodobňovania výroby energie zo slnka možno dosiahnuť a v konečnom dôsledku prispieť k boju proti klimatickým zmenám.
Centrum pre výskum plazmy a termonukleárne bunkyMIT v spolupráci so súkromným startupom Commonwealth Fusion Systems (CFS) vyvíja koncepčný návrh SPARC. Toto je kompaktný experiment vysokého napätia s čistou termonukleárnou energiou. Očakáva sa, že SPARC bude mať veľkosť existujúcich fúznych zariadení stredného rozsahu, ale s oveľa silnejším magnetickým poľom. Na základe fyzikálnych zákonov vedci dúfajú, že zariadenie bude produkovať 50-100 MW termonukleárnej energie. Takýto experiment bude prvou ukážkou vytvorenia čistej energie a možnosti vytvorenia zariadenia zostrojeného pomocou novej supravodivej technológie. SPARC je súčasťou celkovej stratégie na urýchlenie vývoja fúzie pomocou nových magnetov pre vysoké pole a vysokoteplotné supravodivé (HTSC).
Fúzna elektráreň Sparc bude relatívne malá, ako ukazuje tento obrázok reakčnej komory.
T. Henderson / CFS / MIT-PSFC
Čas výstavby
Očakáva sa, že výstavba reaktora podNázov SPARC, ktorý vyvíjajú vedci z MIT a dcérskej spoločnosti Commonwealth Fusion Systems, sa začne budúci rok na jar a bude trvať tri alebo štyri roky, informovali vedci a predstavitelia spoločnosti.
Aj keď stále existuje veľa vážnych problémov,spoločnosť uviedla, že po výstavbe budú nasledovať skúšky a ak bude úspešná, začne sa v budúcom desaťročí vyrábať elektráreň, ktorá by na výrobu elektriny mohla využívať energiu jadrovej syntézy.
Tento ambiciózny harmonogram je oveľa rýchlejší akonajväčší projekt jadrovej syntézy na svete, nadnárodný projekt na juhu Francúzska s názvom ITER. Tento reaktor je vo výstavbe od roku 2013 a hoci nie je určený na výrobu elektriny, očakáva sa, že do roku 2035 bude produkovať fúzne reakcie.
Bob Mumgaard, generálny riaditeľ CommonwealthuFusion a jeden zo zakladateľov spoločnosti uviedol, že cieľom projektu SPARC je vyvinúť termonukleárnu fúziu včas, aby mohla hrať úlohu pri zmierňovaní účinkov globálneho otepľovania. "Zameriavame sa na čo najrýchlejšie získavanie termonukleárnej energie," uviedol.
Termonukleárna fúzia, pri ktorej sú ľahké atómyspojenie pri teplotách desiatok miliónov stupňov, aby sa uvoľnila energia, sa stalo pre svet spôsobom, ako sa vyrovnať s dopadmi výroby elektriny na zmenu klímy.
Podobne ako konvenčná elektráreň na jadrové štiepenie, ktorá štiepi atómy, ani fúzna elektráreň nebude spaľovať fosílne palivá a nebude produkovať emisie skleníkových plynov.
Kritika projektu
Aj napriek ambíciám projektu stoja v ceste prekážkyvytvorenie stroja schopného vytvárať termonukleárnu plazmu a manipulovať s víriacim veľmi horúcim mrakom atómov, ktorý poškodzuje alebo ničí všetko, čoho sa dotkne, je obrovské.
Niektorí vedci, ktorí pracujú na termonukleárnej energii po celé desaťročia, tvrdia, že hoci sú nadšením spoločnosti Sparc vyhliadky, časová os môže byť jednoducho nereálna.
„Čítanie týchto dokumentov (výskumných prác- približne. red.) mi dáva pocit, že vývojári budú mať riadenú termonukleárnu termonukleárnu plazmu, o ktorej všetci snívame, “uviedol Carey Forest, fyzik z University of Wisconsin, ktorý sa na projekte nezúčastňuje. Nie je si však istý, či je časová os projektu realistická.
Podľa Dr. Mumgaarda bude SPARC veľamenší ako ITER - veľkosť tenisového kurtu v porovnaní s futbalovým ihriskom - a oveľa lacnejší ako medzinárodný projekt, ktorý bude podľa oficiálnych odhadov stáť asi 22 miliárd dolárov, ale toto číslo nie je limitom. Spoločnosť Commonwealth Fusion, ktorá bola založená v roku 2018 a má asi 100 zamestnancov, do dnešného dňa vyzbierala na svoj projekt 200 miliónov dolárov.
Rozdiely medzi Sparc a ITER
Keďže začali takmer pred storočímfúzne experimenty, perspektíva vytvorenia praktického fúzneho zariadenia, ktoré dokáže vyprodukovať viac energie, ako spotrebuje, zostáva v nedohľadne.
Ale podľa zistení vedcov v časopise The Journal of Plasma Physics projekt SPARC uspeje a vyrobí 10-krát viac energie, než spotrebuje.
Štúdia „potvrdzuje, že projekt sa skončilten, s ktorým pracujeme, bude pravdepodobne fungovať, “uviedol Martin Greenwald, zástupca riaditeľa Centra pre výskum a fúziu plazmy MIT a jeden z vedúcich pracovníkov projektu. Dr. Greenwald je zakladateľom organizácie Commonwealth Fusion, ale v súčasnosti k nej nie je pridružený.
SPARC používa rovnaký typ zariadenia akoITER: Tokamak alebo komora v tvare šišky, v ktorej prebieha fúzna reakcia. Pretože plazmový mrak je taký horúci - teplejší ako Slnko - musí sa držať magnetickými silami.
ITER to robí pomocou obrovských elektromagnetických cievok obsahujúcich supravodivé drôty, ktoré musia byť chladené tekutým héliom.
Model fúzneho reaktora ITER (prierez)
CC BY-SA 2.0 fr
Podľa Greenwalda používa SPARCvýhody novej elektromagnetickej technológie, ktorá využíva takzvané vysokoteplotné supravodiče, ktoré môžu vytvárať oveľa silnejšie magnetické pole. Vďaka tomu je plazma oveľa menšia.
Dokumenty ukazujú, že „táto cesta je vysokopole stále vyzerá ako životaschopné, “povedal doktor Greenwald. „Ak dokážeme prekonať technické problémy, bude tento stroj fungovať tak, ako predpovedáme.“
Commonwealth Fusion uviedla, že ohlási miesto pobytu SPARC o niekoľko mesiacov.
Kto iný pracuje na termonukleárnej energii a existuje nádej?
Commonwealth Fusion je len jedným z mnohýchspoločnosti pracujúce na vývoji a komercializácii energie jadrovej syntézy v spolupráci s výskumnými inštitúciami, podporené investíciami v stovkách miliónov dolárov.
Napríklad TAE Technologies, založenáv južnej Kalifornii pracuje na dizajne, ktorý využíva lineárne zariadenie, ktoré na seba vystreľuje dva oblaky plazmy a vytvára jadrovú fúziu.
First Light Fusion, dcérska spoločnosť University of Oxford v Anglicku, využíva energiu na kompresiu a stlačenie termonukleárneho paliva.
Dr Forest povedal:Použitím silnejších magnetických polí možno povedať, že SPARC je „konzervatívnejší“. “Toto ho úplne odlišuje od všetkých startupov, ktoré sú z definície viac riskantné,“ zdôrazňuje.
William Dorland, fyzik na univerzite v Marylande aeditor časopisu The Journal of Plasma Physics uviedol, že časopis požiadal zástupcov niektorých z týchto projektov fúzie, aby „hovorili o ich fyzických základoch“. Skupina MIT a Fusion Commonwealthu podľa neho rýchlo súhlasili.
"Z môjho pohľadu je to prvá z týchto skupín,"ktorá má súkromné peniaze, čo je vlastne veľmi jasné o tom, čo robia, “uviedol doktor Dorland. - Rozumní ľudia nesúhlasia s tým, či to funguje. Som však len šťastný, že sa dostali ďalej a povedali nám pomocou normálnej vedy, čo sa deje, “dodáva na záver.
Nakoniec, od akých dôsledkov možno očakávaťvývoj fúzneho reaktora? Ak sa technologické procesy odladia a ovládnu, zachráni to ľudstvo. Čistá energia z fúzie atómov namiesto štiepenia ochráni aspoň planétu pred jadrovým odpadom.
Čo je spodnom riadku?
Napriek všetkému nebezpečenstvu a zložitosti projektov narozvoj termonukleárnej fúzie, nezdá sa, že by ľudstvo malo nejaké alternatívy. Schopnosti planéty sú na rozdiel od ľudských potrieb obmedzené. Či SPARC, ITER alebo akýkoľvek startup splní svoje sľuby, ukáže čas.
Prečítajte si tiež
Vedec vytvoril farbu, ktorá môže nahradiť drahé solárne panely
Misia CHEOPS našla planétu s najdrsnejšími podmienkami vo vesmíre. Hlavná vec
Astronómovia objavili mesačný urýchľovač zo 60. rokov. Smeruje k Zemi