Syntéza a štiepenie: aký je rozdiel?
Fúzia a štiepenie sú rôzne procesy výroby jadrovej energie.
Táto energia je produkovaná jadrovou energiouštiepenie, je zachytávané vo vnútri reaktorov a používané na ohrev vody na paru, ktorá otáča turbínu a vyrába elektrickú energiu. Tento proces však vytvára odpad, ktorý môže zostať rádioaktívny po milióny rokov. Ako to môže dopadnúť, ukázala situácia v reaktoroch vo Fukušime a Černobyle.
Na druhej strane termonukleárna fúzia nepovediek tvorbe dlhodobého jadrového odpadu a potrebné materiály je možné recyklovať do 100 rokov. Nehrozí ani nebezpečenstvo nehody, pretože proces je založený na vysokoteplotných reakciách, ktoré sa v prípade poruchy zariadenia v priebehu niekoľkých sekúnd zastavia. A keďže tieto reakcie využívajú relatívne malé množstvo paliva, nehrozí, že by boli použité na výrobu jadrových zbraní.
V oblasti výskumu jadrovej fúzie existujúvedci, ktorí sa usilujú o jeden cieľ - obnoviť procesy, ktoré samotné Slnko používa na výrobu obrovského množstva energie. Obrovské gravitačné sily zachytávajú vodík zo slnečnej atmosféry a na premenu plynu na plazmu používajú intenzívne teplo a tlak. V ňom sa jadrá zrážajú vysokou rýchlosťou, pričom vytvárajú hélium a uvoľňujú energiu.
Ďalším kľúčovým faktorom je gravitácia.Kolosálne gravitačné sily Slnka sú približne 28-krát väčšie ako tu na Zemi. Vedci museli byť kreatívni pri obmedzovaní paliva pre reakcie jadrovej fúzie. Najvýhodnejším prístupom v súčasnosti je použitie magnetických polí, ktoré možno použiť na zadržanie dvoch ťažkých foriem vodíka, deutéria a trícia, v zariadení nazývanom tokamak.
Tokamak - veľké nádeje
Samotné slovo „tokamak“ nie je nične označuje je len skratka, z ktorej sa neskôr stalo plnohodnotné slovo. Používa sa nielen v Rusku, ale aj v zahraničí, pretože práve v našej krajine bola táto vec vynájdená a práve tu sa dlho aktívne rozvíjali.
Tokamak je toroidná komora s magnetickými cievkami. To je všetko.
Podstata tokamaku spočíva v tvorenímagnetické pole, v ktorom prebieha termonukleárna fúzna reakcia. Keďže teplota takejto reakcie nie je len vysoká, ale doslova neprípustná (niekoľko miliónov stupňov Celzia), nemôže sa uskutočniť jednoducho v nejakej komore – roztopí sa dlho pred dosiahnutím prevádzkovej teploty.
Táto teplota je dosiahnutá vďaka tomu, žeVo vnútri tokamaku je látka v štvrtom stave agregácie, ktorý sa dosahuje pri tak vysokých teplotách. Tento stav sa nazýva plazma.Na Zemi sa plazma v prirodzenom prostredí nachádza iba v bleskoch a polárnej žiare, vo vesmíre sa z nej skladá doslova všetko - hviezdy, hmloviny, medzihviezdny priestor.
Vnútri budovy, v ktorej bude umiestnený najväčší tokamakový reaktor na svete.
Prvý, kto navrhol použitie termonukleárnejsyntézu, a to aj na priemyselné účely, bol sovietsky fyzik O.A. Lavrentiev. Urobil to vo svojej práci z roku 1950. Práve s jeho prácou začalo štúdium spôsobov použitia termonukleárnej fúzie.
O rok neskôr iní fyzici — A.D.Sacharov a I.E. Tamm vyvinul túto myšlienku a povedal, že termonukleárna reakcia by sa mala udržiavať v uzavretej toroidnej komore. Na vytvorenie magnetického poľa vo vnútri tokamaku sa skladá z častí s cievkami navinutými vo vnútri. Keďže prebiehajú po celej dĺžke komory a vytvárajú niečo ako uzavretý tunel, výsledné magnetické pole sa nazýva toroidné. Toto je pracovná oblasť inštalácie.
Vnútri čínskeho experimentálneho pokročilého supravodivého tokamaku (VÝCHOD).
Keď je komora plná, tvorívírivé elektrické pole, ktoré udržuje plazmu vo vnútri komory a zároveň ju ohrieva, čím ju privádza na rovnakú teplotu niekoľko miliónov stupňov.
Keďže pole a kúrenie vzniká z dôvodu zvýšenie prúdu v induktore, ale nemôže sa zvyšovať donekonečna, životnosť plazmy v stabilnom stave ešte nepresahuje niekoľko sekúnd. To je hlavný dôvod, prečo zatiaľ nemôžeme využívať tokamaky ako zdroj priemyselnej výroby energie. Existujú spôsoby, ako tento problém vyriešiť, vrátane využitia mikrovlnného žiarenia, no zatiaľ práca v tomto smere stále prebieha.
Mnoho ľudí pracuje na dosiahnutí tohto cieľaciele, vkladajú veľké nádeje do zariadenia ďalšej generácie, ktoré je v súčasnosti vo výstavbe. ITER alebo Medzinárodný termonukleárny experimentálny reaktor je jedným z najambicióznejších energetických projektov, aké kedy ľudstvo podniklo, a zahŕňa vedcov a inžinierov z 35 krajín. Po dokončení v roku 2025 to bude najväčšie zariadenie na jadrovú fúziu na svete.
Hoci väčšina ambícií ľudstvav oblasti jadrovej syntézy spojenej s ITER existujú ďalšie vzrušujúce príležitosti. Vrátane ďalšieho termonukleárneho reaktora s magnetickým obmedzením – stelarátora.
Stellator - imitácia hviezdy
Rovnako ako tokamaky, aj stelarátory sú na to určenéObsahujúce prúdy plazmy v uzavretej komore pomocou magnetických cievok, ale s niektorými kľúčovými rozdielmi. Namiesto pekného, symetrického tvaru šišky vysiela stelarátor plazmu do nepravidelných kruhov, ktoré sa otáčajú a otáčajú pomocou neuveriteľne zložitého radu magnetických cievok. Zdá sa to neintuitívne, ale v skutočnosti to vytvára väčšiu stabilitu v plazme kvôli rozdielom vo vnútornom prúde, píše New Atlas.
Stelarátor je sám o sebe typom reaktoraimplementácia riadenej termonukleárnej fúzie. Názov pochádza z lat. stella - hviezda, naznačuje podobnosť procesov prebiehajúcich v stellarátore a vo vnútri hviezd. Vymyslel ho americký fyzik L. Spitzer v roku 1950 a prvý prototyp bol postavený pod jeho vedením nasledujúci rok ako súčasť tajného projektu Matterhorn.
Wendelstein 7-X (W7-X)-experimentálneinštalácia na výskum vysokoteplotnej plazmy, ktorá sa nachádza v meste Greifswald v Nemecku. Jeho stavbu vykonal Inštitút Maxa Plancka pre fyziku plazmy v rokoch 2005 až 2014. Účelom zariadenia je testovať priemyselnú vhodnosť fúzneho reaktora typu stellarator, ako aj skúmať a zlepšovať technické komponenty a technológie v oblasti riadenej termonukleárnej fúzie.
V takýchto fúznych reaktorochtoroidná komora má zložitý, kľukatý tvar, rovnako ako magnetické polia vytvorené okolo nej. Tento neobvyklý dizajn podľa teórie pomáha takýmto reaktorom pracovať v kontinuálnom režime, pričom míňajú oveľa menej energie ako konvenčné „rovnomerné“ reaktory. reaktory typu tokamak. Zložitá konfigurácia magnetického poľa navyše umožňuje spoľahlivo zadržať vysokoteplotnú plazmu, čo znižuje riziko jej kontaktu s vnútornými stenami komory reaktora. Takéto výhody však prichádzajú za cenu, ktorá spočíva v zložitosti návrhu a výroby samotného reaktora.
V decembri 2017 dokončil W7-X svoj druhýetapa experimentov, v ktorých boli použité vylepšené plazmové ohrievacie a meracie systémy. Hlavným prvkom, ktorý bol testovaný v druhej fáze, bol systém odvodu tepla, ktorého činnosť by nemala ovplyvňovať plazmový kábel. Tento nástroj pozostáva z reťaze magnetov, ktoré tvoria zložité magnetické polia, čo spôsobuje, že plazma prechádza okolo 10 dosiek chladiča. Akákoľvek odchýlka magnetických polí má za následok vychýlenie plazmového kordu, čo vedie k prehriatiu platní a k nadmernému ochladzovaniu a deštrukcii plazmového kordu.
Práca elektromagnetov, ktoré vytvárajú magnetické pole, je riadená komplexným riadiacim systémom, ktorý využíva rôzne spätné väzby.
Pretože stelarátory nevyžadujú toľkovnútorný prúd a vo svojej podstate ponúkajú väčšiu stabilitu ako tokamaky, hovorí Hole, že môžu byť vhodnejšie na napájanie siete. Je to však za predpokladu, že neuveriteľne zložitú infraštruktúru je možné postaviť lacným spôsobom a s rovnakými obmedzeniami, čo v súčasnej podobe neplatí.
Inerciálna retencia je radikálny prístup
Okrem oblasti magnetického zadržaniainé prístupy k jadrovej fúzii, ktoré spadajú pod takzvanú zotrvačnú väzbu. Inerciálne riadená termonukleárna fúzia je jedným z typov termonukleárnej fúzie, v ktorej je termonukleárne palivo držané vlastnými zotrvačnými silami. Cieľom je rýchlo a rovnomerne zahriať termonukleárne palivo, aby mala výsledná plazma čas na rozptýlenie. Pri použití tohto princípu bude reaktor pulzovať. Táto nová línia výskumu jadrovej fúzie zahŕňa použitie veľmi presne zacielených laserových alebo iónových lúčov na rýchle zahriatie palivovej pelety, ktorá bude zložená z deutéria a trícia.
Ide o to, že vplyv na tietopalivové pelety, také náhle a prudké zahriatie spôsobí obrovské kompresné sily, ktoré spustia reťazovú reakciu cez vrstvy materiálu, v ktorom môže dôjsť k jadrovej fúzii, pričom sa uvoľní obrovské množstvo energie. Austrálska spoločnosť HB11 Energy sa snaží odstrániť tradičný recept na deutérium a tritium v prospech nerádioaktívneho prístupu, ktorý zahŕňa vodík a bór-b11.
Malá peleta paliva z vodíkového bóruumiestnené vo veľkej guli a zasiahnuté dvoma lasermi súčasne, aby sa spustila fúzna reakcia, ktorá priamo generuje elektrickú energiu bez použitia parných turbín.
Spoločnosť tvrdí, že sa vyhne mnohým problémom,ktoré sa už desaťročia usilujú o jadrovú fúziu, najmä preto, že sa nesnažia zohriať svoje palivo na šialene vysoké teploty. Svoje palivové pelety vystaví dvom laserom, z ktorých jeden vytvorí magnetické pole a druhý spustí reťazovú reakciu fúzie vodíka a bóru, ktorá vytvorí častice, ktoré môžu následne generovať elektrický prúd.
Podľa odborníkov môže byť tento prúd takmerpriamo do existujúceho energetického systému. Nepotreboval by generátor parnej turbíny ani výmenník tepla a nehrozilo by žiadne roztavenie. Tím je veľmi optimistický, pokiaľ ide o jeho technológiu, a tvrdí, že jeho experimenty ukazujú rýchlosť reakcie miliardu krát lepšiu, než sa predpokladalo, a verí, že jeho plán vývoja bude oveľa rýchlejší a lacnejší ako iné prístupy.
Energia, ktorá sa v dôsledku toho uvoľňujereakcia, je schopná zahriať okolité palivo a ak je teplota dostatočne vysoká, môže tiež začať termonukleárnu reakciu. Účelom takýchto inštalácií je schopnosť dosiahnuť termonukleárne „spaľovanie“, keď proces uvoľňovania tepla spôsobuje spojovú reakciu, ktorá ovplyvňuje významnú časť paliva. Typická guľa paliva má veľkosť špendlíkovej hlavičky a obsahuje asi 10 miligramov paliva. V praxi môže byť pri termonukleárnej reakcii použitá len malá časť tohto paliva, ale ak sa použije všetko toto palivo, uvoľní energiu ekvivalentnú spáleniu suda s ropou.
"Toto je zaujímavá veda," povedal Matthew Houle,odborník na jadrovú fúziu a výskumník Austrálskej národnej univerzity oboznámený s HB11 a výskumníkmi pracujúcimi na projekte v New Atlas – no nepovedal by som, že existujú presvedčivé dôkazy, že by ste z toho mohli premeniť elektráreň rýchlejší rozsah ako ITER alebo toroidné magnetické obmedzenie."
Podľa Houle je kľúčovým problémom naprprístupom je, že tieto reakcie sa vyskytujú mihnutím oka. Aby bola technológia aplikovaná v praktickej elektrárni, musí sa vyvinúť z krátkodobých, jednorazových reakcií na niečo, čo produkuje stály prísun energie, ako je napríklad horiaci oheň.
Z -pinch - tmavý kôň
Ďalší zaujímavý príklad inerciálneho prístupuobmedzenie jadrovej fúzie je štipka Z. Pri výskume energie z jadrovej syntézy ide o typ systému zadržiavania plazmy, ktorý využíva elektrický prúd v plazme na vytvorenie magnetického poľa, ktoré ju stlačí.
Inými slovami, namiesto použitiaveľké a zložité magnetické cievky na udržanie prúdov plazmy na mieste, prístup, ktorý využíva elektromagnetické pole, ktoré sa vytvára v samotnej plazme. Môžeme povedať, že toto je čierny kôň v pretekoch jadrovej fúzie. Od svojho vzniku v 50. rokoch minulého storočia si pinch efekt sľuboval jednoduchšiu konfiguráciu ako tokamaky či stelarátory. Ale podobne ako tieto zariadenia aj podlieha nestabilite v plazme, ktorá presahuje magnetické siločiary.
Retenčný systém Z-pinch na Washingtonskej univerzite
Prišli na to vedci z Washingtonskej univerzityspôsob, ako tieto vydutia vyhladiť, je úprava plazmovej hydrodynamiky. Aj keď je Z-pinch sľubným riešením energetického problému, ako je laserový prístup HB11, stále čelí veľkým výzvam, pokiaľ ide o dodávanie nepretržitého výkonu. Problém je v tom, že má tiež impulzívnu povahu.
Čo je spodnom riadku?
ITER, toroidné magnetické obmedzeniea konštrukcia tokamak sú zďaleka najpokročilejšie. Výskumníci jadrovej fúzie však používajú rôzne prístupy, z ktorých každý má svoje výhody a nevýhody. Nanešťastie, bez ohľadu na prístup, proces stále vyžaduje viac energie, než sa vráti. Ale riešenie týchto inžinierskych a fyzikálnych problémov na výrobu čistej energie, hoci to môže byť neuveriteľne ťažké, bude jedným z najväčších úspechov ľudstva.
Čítaj viac
Bola vytvorená prvá presná mapa sveta. Čo je zlé na všetkých ostatných?
Na šifrovanie bolo použité infračervené žiarenie z ľudských rúk
Urán získal status najpodivnejšej planéty v slnečnej sústave. Prečo?
Torus (toroid) - je volumetrickýtvar vyplývajúci z rotácie prstenca okolo stredu rotácie. Hrubými príkladmi torusu by boli šiška, rožok alebo trubica na bicykel vybratá z kolesa.