Čo je to jadrová fúzia?
Jadrová fúzia (v tomto prípade hovoríme o termonukleárnej fúzii) je reakcia
Podľa moderných astrofyzikálnychpredstavami, hlavným zdrojom energie Slnka a ďalších hviezd je termonukleárna fúzia prebiehajúca v ich hĺbkach. V suchozemských podmienkach sa uskutočňuje s výbuchom vodíkovej bomby. Termonukleárna fúzia je sprevádzaná kolosálnym uvoľňovaním energie na jednotku hmotnosti reagujúcich látok (asi 10 miliónovkrát viac ako pri chemických reakciách). Preto je veľkým záujmom tento proces zvládnuť a na jeho základe vytvoriť lacný a ekologický zdroj energie. Napriek skutočnosti, že sa veľké vedecké a technické tímy v mnohých rozvinutých krajinách zaoberajú výskumom riadenej termonukleárnej fúzie (CTF), je ešte potrebné vyriešiť veľa zložitých problémov, kým sa priemyselná výroba termonukleárnej energie stane realitou.
Moderné jadrové elektrárne využívajúce tento procesdivízie, len čiastočne uspokojujú svetové potreby elektriny. Palivom sú pre nich prírodné rádioaktívne prvky urán a tórium, ktorých množstvo a zásoby v prírode sú veľmi obmedzené; preto mnohé krajiny čelia problému ich dovozu. Hlavnou zložkou termonukleárneho paliva je izotop vodíka deutérium, ktorý sa nachádza v morskej vode. Jeho zásoby sú verejne dostupné a veľmi veľké (Svetový oceán pokrýva ~ 71 % povrchu Zeme a deutérium tvorí asi 0,016 % z celkového počtu atómov vodíka, ktoré tvoria vodu).
Okrem dostupnosti paliva majú termonukleárne zdroje energie oproti jadrovým elektrárňam tieto dôležité výhody:
- reaktor CTS obsahuje oveľa menej rádioaktívnych materiálov ako reaktor na štiepenie jadra, a preto sú následky náhodného úniku rádioaktívnych produktov menej nebezpečné;
- termonukleárne reakcie generujú menej rádioaktívneho odpadu s dlhou životnosťou;
- TCB umožňuje priamu výrobu elektriny.
Úspešná realizácia fúznej reakcie závisí od vlastností použitých atómových jadier a možnosti získať hustú vysokoteplotnú plazmu, ktorá je nevyhnutná na zahájenie reakcie.
Ako sa uvoľňuje energia počas fúzie?
Uvoľňovanie energie počas jadrovej fúzie je spôsobenéextrémne silné príťažlivé sily pôsobiace vo vnútri jadra; tieto sily držia pohromade protóny a neutróny, ktoré tvoria jadro. Sú veľmi intenzívne a s rýchlosťou sa mimoriadne rýchlo rozpadajú. Okrem týchto síl vytvárajú pozitívne nabité protóny elektrostatické odpudivé sily. Polomer pôsobenia elektrostatických síl je oveľa väčší ako rádius jadrových síl, preto začnú prevažovať, keď sa jadrá odoberajú jeden od druhého.
Za normálnych podmienok kinetická energia jadierľahké atómy sú príliš malé na to, aby prekonali elektrostatický odpor, mohli by sa priblížiť a vstúpiť do jadrovej reakcie. Odraz je však možné prekonať „hrubou“ silou, napríklad zrážkou jadier s vysokou relatívnou rýchlosťou.
Prečo vedci robia jadrovú fúziu?
Vedci vyvíjajúci termonukleárne látkyreaktor, ktorý môže generovať viac energie, ako spotrebuje, ukázal v sérii nedávnych prác, že ich návrhy musia fungovať, a obnovuje optimizmus, že tento čistý a neobmedzený zdroj energie pomôže zmierniť klimatickú krízu.
Skupina vedcov z MassachusettsTechnologický inštitút (MIT) a ďalšie ústavy vyhlasujú, že kompaktný fúzny reaktor SPARC bude fungovať v skutočnosti. Prinajmenšom teoreticky, ako tvrdia v sérii nedávno publikovaných štúdií.
Tím upozorňuje, že počas plánovacích etáp čneboli nájdené žiadne neočakávané prekážky ani prekvapenia. Tvrdí to sedem článkov, ktoré napísalo 47 vedcov z 12 rôznych vedeckých inštitúcií.
Hoci nový reaktor je stále vo výstavbeV počiatočnom štádiu vývoja vedci dúfajú, že by mohol začať vyrábať elektrinu do konca desaťročia. Martin Greenwald, jeden z vedúcich vedcov projektu, pre The Guardian povedal, že kľúčovou motiváciou pre ambiciózny časový plán je uspokojiť energetické potreby v otepľujúcom sa svete. „Zdá sa, že fúzia je jedným z možných riešení, ako sa dostať z hroziacej klimatickej katastrofy,“ povedal.
Aký je problém fúzie a ako môže pomôcť planéte?
Jadrová fúzia, fyzikálny proces, ktorýnapájanie nášho slnka nastáva, keď sa atómy zrazia za extrémne vysokých teplôt a tlakov, čo spôsobí ich uvoľnenie obrovského množstva energie zlúčením s ťažšími atómami.
Od jeho prvého objavuV minulom storočí sa vedci snažili využiť jadrovú fúziu, extrémne hustú formu energie, ktorej palivo – izotopy vodíka – je bohaté a dopĺňa sa. Jadrová fúzia navyše neprodukuje skleníkové plyny ani uhlík a na rozdiel od jadrových štiepnych reaktorov so sebou nenesie riziko roztavenia.
Avšak využitie tejto formy jadrovej energiesa ukázalo ako mimoriadne ťažké, pretože vyžadovalo zahriatie „polievky subatomárnych častíc“ – plazmy – na stovky miliónov stupňov – príliš horúce na to, aby sa s ním dalo manipulovať. Aby sa tomu vyhli, vedci vyvinuli komoru v tvare šišky, cez ktorú prechádza silné magnetické pole, nazývané tokamak, ktoré drží plazmu na mieste.
Čo sa už vyvíja?
Vedci z Massachusetts Institute of Technologya dcérska spoločnosť Commonwealth Fusion Systems začali s navrhovaním nového reaktora, ktorý je kompaktnejší ako jeho predchodcovia, začiatkom roka 2018, s výstavbou sa má začať v prvej polovici budúceho roka. Ak ich harmonogram pôjde podľa plánu, reaktor nazývaný Sparc by podľa vedcov a predstaviteľov spoločnosti mohol do roku 2030 vyrábať elektrinu pre sieť. Bude to oveľa rýchlejšie ako v prípade existujúcich hlavných iniciatív v oblasti energie jadrovej syntézy.
Súčasné návrhy reaktorov sú príliš veľkéa cesty na skutočnú výrobu elektriny pre spotrebiteľov. Tím MIT a Commonwealth Fusion dúfa, že pomocou špičkových, ultra silných magnetov vytvoria kompaktný, efektívny a škálovateľný tokamak reaktor. "To, čo sme skutočne urobili, je spojenie existujúcej vedy s novým materiálom, aby sme otvorili obrovské nové možnosti," povedal Greenwald.
Po preukázaní, že zariadenie Sparcby teoreticky mohla vyrobiť viac energie, ako je potrebné na prevádzku, vo výskumných prácach publikovaných v septembri je ďalším krokom výroba reaktora a potom pilotného zariadenia, ktoré bude vyrábať elektrinu v sieti.
Všetky výhody a nevýhody jadrovej fúzie
Vedci a podnikatelia to už dávno sľubujútermonukleárna fúzia je za rohom, ale čelila neprekonateľným problémom. To spôsobilo neochotu investovať do nej, najmä preto, že veterná, solárna a iné obnoviteľné zdroje energie, aj keď sú menej výkonné ako fúzia, sa stali efektívnejšími a nákladovo efektívnejšími.
Situácia sa však mení.V Bidenovom pláne 2 bilióny dolárov označil pokrokovú jadrovú technológiu za súčasť stratégie dekarbonizácie. Demokrati podporovali jadrovú energiu prvýkrát od roku 1972. Významné investície prichádzajú aj zo súkromných zdrojov vrátane niektorých veľkých ropných a plynárenských spoločností, ktoré vidia fúziu ako lepšiu dlhodobú oporu ako vietor a slnko.
Podľa výkonného riaditeľa Boba MumgaardaCieľom riaditeľa Commonwealth Fusion nie je využívať fúziu na nahradenie slnečnej a veternej energie, ale na jej doplnenie. „Sú veci, ktoré bude ťažké robiť len s obnoviteľnou energiou v priemyselnom meradle, ako je napríklad zásobovanie veľkých miest alebo výroba,“ povedal. "Práve tu môže prísť vhod syntéza."
Plazmová komunita ako celok je z postupu spoločnosti Sparc nadšená, hoci niektorí spochybňujú ambiciózny časový harmonogram vzhľadom na technické a regulačné prekážky.
Daniel Jessby, 25 rokov vedeckého výskumuspolupracovník v Princetonskom laboratóriu fyziky plazmy, je skeptický, či by sa fúzny reaktor ako SPARC mohol niekedy stať možným alternatívnym zdrojom energie. Trícium, jeden z izotopov vodíka, ktoré bude Sparc používať ako palivo, sa v prírode nevyskytuje a musí sa podľa neho vyrábať.
Technologický tím v MassachusettsÚstav predpokladá, že táto látka bude neustále regenerovaná samotnou syntéznou reakciou. Jessby však verí, že si to bude vyžadovať obrovské množstvo elektriny, čo reaktor neúmerne predraží. „Keď si myslíte, že solárnu a veternú energiu získavame zadarmo, bolo by hlúpe spoliehať sa na reakciu fúzie,“ uzatvára.
Čítaj viac
Výskum: ľudia nebudú môcť ovládať superinteligentné stroje AI
Potraty a veda: čo sa stane s deťmi, ktoré budú rodiť
Pozrite sa na najkrajšie obrázky Hubbla. Čo videl teleskop za 30 rokov?