Syntes och fission: vad är skillnaden?
Fusion och fission är olika processer för att producera kärnenergi.
Denna energi produceras av kärnkraftklyvning, fångas in i reaktorerna och används för att värma upp vatten till ånga, som vänder en turbin och genererar elektricitet. Men denna process skapar avfall som kan förbli radioaktivt i miljontals år. Situationen i reaktorerna i Fukushima och Tjernobyl visade hur detta kunde bli.
Å andra sidan kommer termonukleär fusion inte att ledatill bildandet av långvarigt kärnavfall och de nödvändiga materialen kan återvinnas inom 100 år. Det finns inte heller någon risk för en olycka, eftersom processen är baserad på högtemperaturreaktioner som stannar på några sekunder om utrustningen inte fungerar. Och eftersom dessa reaktioner använder en relativt liten mängd bränsle, finns det ingen risk att använda dem för att producera kärnvapen.
Inom området för kärnfusionsforskning finns detforskare som strävar efter ett mål - att återskapa de processer som solen själv använder för att producera en enorm mängd energi. Enorma gravitationskrafter fångar väte från solens atmosfär och använder intensiv värme och tryck för att omvandla gasen till plasma. I det kolliderar kärnor i hög hastighet, bildar helium och frigör energi.
En annan nyckelfaktor är gravitationen.Solens kolossala gravitationskrafter är ungefär 28 gånger större än här på jorden. Forskare har varit tvungna att vara kreativa för att begränsa bränslet för kärnfusionsreaktioner. Det mest föredragna tillvägagångssättet som det ser ut nu är att använda magnetfält, som kan användas för att hålla två tunga former av väte, deuterium och tritium, i en enhet som kallas en tokamak.
Tokamak - höga förhoppningar
Ordet "tokamak" i sig är ingentinginte betecknar är bara en förkortning, som senare blev ett fullfjädrat ord. Det används inte bara i Ryssland utan också utomlands, eftersom det var i vårt land som denna sak uppfanns och det var här de aktivt utvecklades under lång tid.
Tokamak är en toroidformad kammare med magnetiska spolar. Det är allt.
Kärnan i en tokamak handlar om att skapamagnetfält i vilket den termonukleära fusionsreaktionen kommer att inträffa. Eftersom temperaturen för en sådan reaktion inte bara är hög, utan bokstavligen oöverkomlig (flera miljoner grader Celsius), kan den inte utföras helt enkelt inuti någon form av kammare - den kommer att smälta långt innan driftstemperaturen uppnås.
Denna temperatur uppnås på grund av det faktum attInuti tokamak befinner sig ämnet i det fjärde aggregationstillståndet, vilket uppnås vid så höga temperaturer. Detta tillstånd kallas plasma.På jorden finns plasma i den naturliga miljön endast i blixtar och norrsken, i rymden består bokstavligen allt av det - stjärnor, nebulosor, interstellära rymden.
Inuti byggnaden som kommer att rymma världens största tokamakreaktor.
Den första som föreslog användning av termonukleärsyntes, inklusive för industriella ändamål, var den sovjetiska fysikern O.A. Lavrentiev. Han gjorde detta i sitt arbete från 1950. Det var med hans arbete som studien av sätt att använda termonukleär fusion började.
Ett år senare, andra fysiker – A.D.Sacharov och I.E. Tamm – utvecklade idén och sa att den termonukleära reaktionen skulle upprätthållas inuti en sluten toroidkammare. För att skapa ett magnetfält inuti tokamak består den av sektioner med spolar lindade inuti dem. Eftersom de löper över hela längden av kammaren och skapar något som en stängd tunnel, kallas det resulterande magnetfältet toroidalt. Detta är arbetsområdet för installationen.
Inuti China Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST).
När kammaren är full skapar denett elektriskt virvelfält som håller plasmat inne i kammaren och samtidigt värmer upp det och bringar det till samma temperatur på flera miljoner grader.
Eftersom fältet och värme skapas på grund av ökar strömmen i induktorn, men den kan inte öka på obestämd tid, plasmans livslängd i ett stabilt tillstånd överstiger ännu inte flera sekunder. Detta är huvudorsaken till att vi ännu inte kan använda tokamaks som en källa för industriell energiproduktion. Det finns sätt att lösa detta problem, inklusive användning av mikrovågsstrålning, men än så länge pågår arbetet i denna riktning fortfarande.
Många arbetar för att uppnå dettamål, har stora förhoppningar på nästa generations enhet som för närvarande är under konstruktion. ITER, eller International Thermonuclear Experimental Reactor, är ett av de mest ambitiösa energiprojekt som mänskligheten någonsin har genomfört, som involverar forskare och ingenjörer från 35 länder. När den är färdig 2025 kommer den att vara världens största kärnfusionsanordning.
Även om de flesta av mänsklighetens ambitionerinom området kärnfusion i samband med ITER finns det andra spännande möjligheter. Inklusive ytterligare en termonukleär reaktor med magnetisk inneslutning - en stellarator.
Stellator - imiterar en stjärna
Liksom tokamaks är stellaratorer designade för attInnehåller plasmaströmmar i en sluten kammare med hjälp av magnetspolar, men med några viktiga skillnader. Istället för en fin, symmetrisk munkform skickar stellaratorn plasma ut i oregelbundna cirklar som snurrar och snurrar med hjälp av en otroligt komplex serie av magnetiska spolar. Detta verkar kontraintuitivt, men det skapar faktiskt större stabilitet i plasmat på grund av skillnader i intern ström, skriver New Atlas.
I sig är en stellarator en typ av reaktor förimplementering av kontrollerad termonukleär fusion. Namnet kommer från lat. stella - stjärna, indikerar likheten mellan de processer som sker i stellaratorn och inuti stjärnorna. Uppfunnet av den amerikanska fysikern L. Spitzer 1950 byggdes den första prototypen under hans ledning året därpå som en del av det hemliga Matterhorn-projektet.
Wendelstein 7-X (W7-X) - experimentellinstallation för forskning om högtemperaturplasma, belägen i staden Greifswald i Tyskland. Dess konstruktion utfördes av Max Planck Institute for Plasma Physics från 2005 till 2014. Syftet med anläggningen är att testa den industriella lämpligheten hos en fusionsreaktor av stellator-typ, samt att undersöka och förbättra tekniska komponenter och tekniker inom kontrollerad termonukleär fusion.
I sådana fusionsreaktorerden toroidformade kammaren har en komplex, slingrande form, liksom de magnetiska fält som skapas runt den. Denna ovanliga design, enligt teorin, hjälper sådana reaktorer att fungera i ett kontinuerligt läge och spenderar mycket mindre energi än konventionella "jämna" reaktorer. tokamak-typ reaktorer. Dessutom gör den komplexa konfigurationen av magnetfältet det möjligt att tillförlitligt innehålla högtemperaturplasma, vilket minskar risken för dess kontakt med reaktorkammarens inre väggar. Sådana fördelar har dock ett pris som ligger i komplexiteten i att designa och tillverka själva reaktorn.
I december 2017 slutförde W7-X sin andrastadium av experiment där förbättrade plasmauppvärmnings- och mätsystem användes. Huvudelementet som testades i det andra steget var värmeavlägsningssystemet, vars funktion inte bör påverka plasmasladden. Detta verktyg består av en kedja av magneter som bildar komplexa magnetfält, vilket tvingar plasman att passera nära 10 kylflänsplattor. Varje avvikelse av magnetfälten medför en avböjning av plasmakabeln, vilket leder till överhettning av plattorna och till överdriven kylning och förstörelse av plasmakabeln.
Driften av elektromagneter, som skapar ett magnetfält, styrs av ett komplext styrsystem som använder många återkopplingar.
Eftersom stellatorer inte behöver så mycketintern ström och erbjuder i sig större stabilitet än tokamaks, säger Hole att de mycket väl kan vara bättre lämpade för att driva nätet. Men detta under förutsättning att den otroligt komplexa infrastrukturen kan byggas på ett billigt sätt och med samma begränsningar, vilket inte är fallet i sin nuvarande form.
Tröghetsretention är ett radikalt tillvägagångssätt
Förutom den magnetiska inneslutningsregionen,andra tillvägagångssätt för kärnfusion som faller under den så kallade tröghetsinneslutningen. Tröghetsstyrd termonukleär fusion är en av de typer av termonukleär fusion, där termonukleärt bränsle hålls av sina egna tröghetskrafter. Tanken är att snabbt och jämnt värma det termonukleära bränslet, så att den resulterande plasmaen har tid att reagera innan den sprids. Således, när man använder denna princip, kommer reaktorn att pulseras. Denna nya forskningslinje inom kärnfusion involverar användning av mycket exakt riktade laser- eller jonstrålar för att snabbt värma upp en bränslepellet som kommer att bestå av deuterium och tritium.
Tanken är att effekten på dessaen sådan plötslig och våldsam uppvärmning kommer att orsaka enorma kompressionskrafter som utlöser en kedjereaktion genom materialskikten där kärnfusion kan uppstå och frigör enorma mängder energi. Australien-baserade HB11 Energy vill avskaffa det traditionella deuterium- och tritiumreceptet till förmån för ett icke-radioaktivt tillvägagångssätt som inkluderar väte och bor-b11.
Liten pellets av väteborbränsleplaceras i en stor sfär och träffas av två lasrar samtidigt för att utlösa en fusionsreaktion som direkt genererar elektricitet utan användning av ångturbiner.
Företaget säger sig undvika många problem,som har strävat efter kärnfusion i decennier, till stor del för att den inte försöker värma upp sitt bränsle till vansinnigt höga temperaturer. Han exponerar sina bränslepellets för två lasrar, en för att skapa ett magnetiskt inneslutningsfält och den andra för att utlösa en kedjereaktion av väte- och borfusion som skapar partiklar som i sin tur kan generera en elektrisk ström.
Enligt experter kan denna ström vara nästandirekt till det befintliga elsystemet. Det skulle inte behövas en ångturbingenerator eller värmeväxlare, och det skulle inte finnas någon risk för härdsmälta. Teamet är mycket optimistiskt om sin teknik och säger att deras experiment visar reaktionshastigheter en miljard gånger bättre än förutspått och tror att deras utvecklingsplan kommer att vara mycket snabbare och billigare än andra tillvägagångssätt.
Den energi som frigörs som ett resultat av sådantkan värma det omgivande bränslet och om temperaturen är tillräckligt hög kan den också starta en termonukleär reaktion. Syftet med sådana installationer är förmågan att uppnå termonukleär "förbränning", när processen med värmeavgivning orsakar en länkreaktion som påverkar en betydande del av bränslet. En typisk bränslekula är storleken på ett nålhuvud och innehåller cirka 10 milligram bränsle. I praktiken kan endast en liten del av detta bränsle användas i en termonukleär reaktion, men om allt detta bränsle används kommer det att frigöra energi motsvarande att bränna ett fat olja.
"Detta är intressant vetenskap," sa Matthew Houle,kärnfusionsexpert och forskare från Australian National University som är bekant med HB11 och forskare som arbetar med projektet på New Atlas - Men jag skulle inte säga att det finns övertygande bevis för att ni kan göra snabbare skala än ITER eller toroidmagnetisk inneslutning."
Enligt Houle är nyckelproblemet med sådanametoder är att dessa reaktioner inträffar i ett ögonblick. För att tekniken ska kunna tillämpas på ett praktiskt kraftverk måste den utvecklas från kortsiktiga engångsreaktioner till något som producerar en konstant tillförsel av energi, till exempel en brinnande eld.
Z-nypa - mörk häst
Ett annat intressant exempel på tröghetsmetodenbegränsning till kärnfusion är Z-nypan. Inom fusionsenergiforskning är det en typ av plasmainneslutningssystem som använder en elektrisk ström i plasman för att skapa ett magnetfält som komprimerar det.
Med andra ord istället för att användastora och komplexa magnetspolar för att hålla plasmaströmmar på plats, ett tillvägagångssätt som använder ett elektromagnetiskt fält som genereras i själva plasmat. Vi kan säga att detta är den mörka hästen i kärnfusionsloppet. Sedan starten på 1950-talet har nypeffekten lovat en enklare konfiguration än tokamaks eller stellaratorer. Men liksom dessa enheter är det också utsatt för instabilitet i plasman som sträcker sig utanför magnetfältslinjerna.
Z-pinch retention system vid University of Washington
Forskare från University of Washington har kommit medett sätt att jämna ut dessa utbuktningar är genom att justera plasmahydrodynamiken. Medan en lovande lösning på energiproblemet, som HB11-lasertillvägagångssättet, står Z-nypen fortfarande inför stora utmaningar när det gäller att leverera kontinuerlig kraft. Problemet är att det också är impulsivt.
Vad är slutresultatet?
ITER, toroidal magnetisk inneslutningoch tokamak-design är den överlägset mest avancerade. Kärnfusionsforskare använder dock olika tillvägagångssätt, var och en med sina egna fördelar och nackdelar. Tyvärr, oavsett tillvägagångssätt, kräver processen fortfarande mer energi än den ger tillbaka. Men att lösa dessa ingenjörs- och fysikproblem för att producera ren energi, hur otroligt svårt det än kan vara, kommer att vara en av mänsklighetens största prestationer.
Läs mer
Den första exakta världskartan skapades. Vad är fel med alla andra?
Infraröd strålning från mänskliga händer användes för kryptering
Uranus har fått status som den konstigaste planeten i solsystemet. Varför?
Torus (toroid) - är en volymetriskformen som härrör från ringens rotation runt rotationscentrumet. Grova exempel på torus är en munk, bagel eller ett cykelrör som tas bort från ett hjul.