Sentez ve fisyon: fark nedir?
Füzyon ve fisyon , nükleer enerji üretmek için farklı süreçlerdir.
Nükleer tarafından üretilen bu enerjifisyon, reaktörlerin içinde yakalanır ve bir türbini döndüren ve elektrik üreten buhara su ısıtmak için kullanılır. Ancak bu süreç, milyonlarca yıl radyoaktif kalabilen atıklar yaratır. Fukuşima ve Çernobil'deki reaktörlerdeki durum bunun nasıl sonuçlanabileceğini gösterdi.
Öte yandan, termonükleer füzyon yol açmayacaktır.uzun vadeli nükleer atık oluşumuna ve gerekli malzemelerin 100 yıl içinde geri dönüştürülebilmesine olanak sağlıyor. Ayrıca kaza tehlikesi de yoktur, çünkü süreç, ekipmanın arızalanması durumunda birkaç saniye içinde duran yüksek sıcaklık reaksiyonlarına dayanmaktadır. Ve bu reaksiyonlar nispeten az miktarda yakıt kullandığından, bunları nükleer silahlar üretmek için kullanma tehlikesi yoktur.
Nükleer füzyon araştırması alanında,Tek bir amaç için çabalayan bilim adamları - Güneş'in kendisinin muazzam miktarda enerji üretmek için kullandığı süreçleri yeniden yaratmak. Muazzam yerçekimi kuvvetleri, güneşin atmosferindeki hidrojeni hapseder ve gazı plazmaya dönüştürmek için yoğun ısı ve basınç kullanır. İçinde çekirdekler yüksek hızda çarpışarak helyum oluşturur ve enerji açığa çıkarır.
Güneş'in muazzam yerçekimi kuvvetleri, Dünya'dakilerden yaklaşık 28 kat daha fazladır.Bilim adamları, nükleer füzyon reaksiyonları için yakıtı sınırlama konusunda yaratıcı olmak zorunda kaldılar.Mevcut haliyle en çok tercih edilen yaklaşım , hidrojenin iki ağır formu olan döteryum ve trityumu tutmak için kullanılabilen manyetik alanları tokamak adı verilen bir cihazda kullanmaktır.
Tokamak - yüksek umutlar
“Tokamak” kelimesinin kendisi hiçbir şey değilyalnızca bir kısaltmadır ve daha sonra tam teşekküllü bir kelime haline gelmiştir. Sadece Rusya'da değil, yurt dışında da kullanılıyor, çünkü bu şey ülkemizde icat edildi ve burada uzun süre aktif olarak geliştirildi.
Tokamak, manyetik bobinlere sahip toroidal bir odadır. Bu kadar.
Bir tokamak'ın özü yaratmaya dayanırtermonükleer füzyon reaksiyonunun meydana geleceği manyetik alan. Böyle bir reaksiyonun sıcaklığı sadece yüksek değil, aynı zamanda tam anlamıyla engelleyici (birkaç milyon santigrat derece) olduğundan, herhangi bir odanın içinde gerçekleştirilemez; çalışma sıcaklığına ulaşılmadan çok önce eriyecektir.
Bu sıcaklığa şu sebeple ulaşılır:Tokamak'ın içinde madde, bu kadar yüksek sıcaklıklarda elde edilen dördüncü toplanma aşamasındadır. Bu duruma plazma denir. Dünya'da, doğal ortamda plazma yalnızca yıldırımda ve uzayda bulunur; kelimenin tam anlamıyla her şey ondan oluşur - yıldızlar, bulutsular, yıldızlararası uzay.
Dünyanın en büyük tokamak reaktörünü barındıracak binanın içinde.
Termonükleer kullanımını öneren ilk kişiendüstriyel amaçlar da dahil olmak üzere sentez, Sovyet fizikçi O.A. Lavrentyev. Bunu 1950 çalışmasında yaptı. Çalışması ile termonükleer füzyonu kullanmanın yollarının araştırılması başladı.
Bir yıl sonra diğer fizikçiler - A.D.Sakharov ve I.E. Tamm bu fikri geliştirdi ve termonükleer reaksiyonun kapalı bir toroidal oda içinde sürdürülmesi gerektiğini söyledi. Tokamak içerisinde manyetik alan oluşturmak için içlerine bobinler sarılmış bölümlerden oluşur. Odanın tüm uzunluğu boyunca ilerledikleri ve kapalı bir tünel gibi bir şey oluşturdukları için ortaya çıkan manyetik alana toroidal denir. Burası kurulumun çalışma alanıdır.
Çin Deneysel Gelişmiş Süperiletken Tokamak (DOĞU) İçinde.
Oda dolduğunda yaratırPlazmayı odanın içinde tutan ve aynı zamanda onu ısıtarak birkaç milyon derecelik aynı sıcaklığa getiren bir girdap elektrik alanı.
Alan ve ısıtma, indüktördeki akımı arttırmak, ancak süresiz olarak artamaz, plazmanın kararlı durumdaki ömrü henüz birkaç saniyeyi geçmez. Tokamakları henüz endüstriyel enerji üretimi kaynağı olarak kullanamıyor olmamızın temel nedeni budur. Mikrodalga radyasyonunun kullanımı da dahil olmak üzere bu sorunu çözmenin yolları var, ancak şu ana kadar bu yönde çalışmalar halen devam ediyor.
Bunu başarmak için çalışan birçok insanHedefler, şu anda yapım aşamasında olan yeni nesil cihaz için büyük umutlar taşıyor. ITER veya Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktör, 35 ülkeden bilim insanı ve mühendisin katılımıyla insanlığın şimdiye kadar üstlendiği en iddialı enerji projelerinden biridir. 2025 yılında tamamlandığında dünyanın en büyük nükleer füzyon cihazı olacak.
Her ne kadar insanlığın çoğu tutkusuITER ile bağlantılı nükleer füzyon alanında başka heyecan verici fırsatlar da var. Manyetik sınırlamalı başka bir termonükleer reaktör de dahil - bir yıldızlaştırıcı.
Stellator - bir yıldızı taklit etmek
Tokamaklar gibi yıldızlaştırıcılar daPlazma akışlarını manyetik bobinler kullanılarak kapalı bir odada içerir, ancak bazı önemli farklılıklar vardır. Stellaratör, güzel, simetrik bir çörek şekli yerine, inanılmaz derecede karmaşık bir dizi manyetik bobin kullanarak dönen ve dönen düzensiz dairelere plazma gönderiyor. New Atlas, bu durumun mantığa aykırı gibi görünse de aslında iç akımdaki farklılıklar nedeniyle plazmada daha fazla stabilite yarattığını yazıyor.
Kendi başına, bir yıldızlaştırıcı,kontrollü termonükleer füzyonun uygulanması. İsim enlemden geliyor. yıldız - yıldız, yıldızlarda ve yıldızlarda meydana gelen süreçlerin benzerliğini gösterir. 1950'de Amerikalı fizikçi L. Spitzer tarafından icat edilen ilk prototip, ertesi yıl gizli Matterhorn projesinin bir parçası olarak onun liderliğinde inşa edildi.
Wendelstein 7-X (W7-X) - deneyselAlmanya'nın Greifswald şehrinde bulunan yüksek sıcaklıklı plazma araştırma tesisi. İnşaatı, 2005'ten 2014'e kadar Max Planck Plazma Fiziği Enstitüsü tarafından gerçekleştirildi. Tesisin amacı, yıldız tipi füzyon reaktörünün endüstriyel uygunluğunu test etmek ve ayrıca kontrollü termonükleer füzyon alanındaki teknik bileşenleri ve teknolojileri araştırmak ve iyileştirmektir.
Bu tür füzyon reaktörlerindetoroidal oda, çevresinde oluşturulan manyetik alanlar gibi karmaşık, kıvrımlı bir şekle sahiptir. Teoriye göre bu olağandışı tasarım, bu tür reaktörlerin sürekli modda çalışmasına yardımcı oluyor ve geleneksel "eşit" reaktörlerden çok daha az enerji harcıyor. tokamak tipi reaktörler. Ek olarak, manyetik alanın karmaşık konfigürasyonu, yüksek sıcaklıktaki plazmanın güvenilir bir şekilde tutulmasını mümkün kılar, bu da reaktör odasının iç duvarlarıyla temas riskini azaltır. Ancak bu tür avantajların, reaktörün kendisinin tasarlanması ve üretilmesinin karmaşıklığından kaynaklanan bir bedeli vardır.
Aralık 2017'de W7-X ikincisini tamamladıGeliştirilmiş plazma ısıtma ve ölçüm sistemlerinin kullanıldığı deney aşaması. İkinci aşamada test edilen ana unsur, çalışması plazma kablosunu etkilememesi gereken ısı giderme sistemiydi. Bu araç, karmaşık manyetik alanlar oluşturan ve plazmanın 10'a yakın ısı emici plakanın yakınından geçmesine neden olan bir mıknatıs zincirinden oluşur. Manyetik alanlardaki herhangi bir sapma, plazma kordonunun sapmasına neden olur, bu da plakaların aşırı ısınmasına ve plazma kordonunun aşırı soğumasına ve tahrip olmasına yol açar.
Manyetik alan oluşturan elektromıknatısların çalışması, birçok geri bildirim kullanan karmaşık bir kontrol sistemi tarafından kontrol edilir.
Yıldızlar çok fazla şeye ihtiyaç duymadığındanHole, dahili akım ve doğası gereği tokamaklardan daha fazla stabilite sunduğunu söylüyor. Ancak bu, inanılmaz derecede karmaşık altyapının ucuz bir şekilde ve aynı kısıtlamalarla inşa edilebilmesi şartıyla, ki mevcut haliyle durum böyle değil.
Ataletsel tutma radikal bir yaklaşımdır
Manyetik hapsetme bölgesine ek olarak,sözde eylemsizlik hapsine giren diğer nükleer füzyon yaklaşımları. Atalet kontrollü termonükleer füzyon, termonükleer yakıtın kendi eylemsizlik kuvvetleri tarafından tutulduğu termonükleer füzyon türlerinden biridir. Buradaki fikir, termonükleer yakıtı hızlı ve eşit bir şekilde ısıtmaktır, böylece ortaya çıkan plazmanın dağılmadan önce reaksiyona girme süresi olur. Bu nedenle, bu prensibi kullanırken reaktör darbeli olacaktır. Nükleer füzyondaki bu yeni araştırma hattı, döteryum ve trityumdan oluşacak bir yakıt peletini hızla ısıtmak için çok hassas bir şekilde hedeflenmiş lazer veya iyon ışınlarının kullanılmasını içerir.
Buradaki fikir, bunlar üzerindeki etkininyakıt peletleri, böylesine ani ve şiddetli bir ısınma, muazzam miktarda enerji açığa çıkararak, nükleer füzyonun meydana gelebileceği malzeme katmanları boyunca bir zincir reaksiyonu başlatan muazzam sıkıştırma kuvvetlerine neden olacaktır. Avustralya merkezli HB11 Energy, hidrojen ve boron-b11'i içeren radyoaktif olmayan bir yaklaşım lehine geleneksel döteryum ve trityum reçetesini ortadan kaldırmak istiyor.
Küçük hidrojen bor yakıtı peletiBuhar türbinleri kullanılmadan doğrudan elektrik üreten bir füzyon reaksiyonunu tetiklemek için büyük bir küreye yerleştirilmiş ve aynı anda iki lazer tarafından vurulmuş.
Şirket birçok sorundan kaçındığını iddia ediyor,Onlarca yıldır nükleer füzyonun peşinde koşan bu yakıtın büyük bir kısmı, yakıtını inanılmaz derecede yüksek sıcaklıklara ısıtmaya çalışmadığı için. Yakıt topaklarını iki lazere maruz bırakıyor; biri manyetik bir sınırlama alanı oluşturmak için, ikincisi ise hidrojen ve bor füzyonunun zincirleme reaksiyonunu tetikleyerek elektrik akımı üretebilecek parçacıklar yaratıyor.
Uzmanlara göre bu akım neredeyseDoğrudan mevcut güç sistemine. Buhar türbini jeneratörüne veya ısı eşanjörüne gerek kalmayacak ve erime riski olmayacaktı. Ekip, teknolojisi konusunda oldukça iyimser ve deneylerinin reaksiyon hızlarını tahmin edilenden milyar kat daha iyi gösterdiğini ve geliştirme planının diğer yaklaşımlardan çok daha hızlı ve daha ucuz olacağına inandığını söylüyor.
Bunun sonucu olarak açığa çıkan enerjireaksiyon, çevredeki yakıtı ısıtabilir ve eğer sıcaklık yeterince yüksekse, aynı zamanda bir termonükleer reaksiyon başlatabilir. Bu tür kurulumların amacı, ısı salımı süreci yakıtın önemli bir bölümünü etkileyen bir bağlantı reaksiyonuna neden olduğunda termonükleer "yanma" elde etme yeteneğidir. Tipik bir yakıt topu toplu iğne başı boyutundadır ve yaklaşık 10 miligram yakıt içerir. Pratikte, bu yakıtın sadece küçük bir kısmı bir termonükleer reaksiyonda kullanılabilir, ancak bu yakıtın tamamı kullanılırsa, bir varil petrolü yakmaya eşdeğer enerji açığa çıkaracaktır.
Matthew Houle "Bu ilginç bir bilim" dedi.HB11'e aşina nükleer füzyon uzmanı ve Avustralya Ulusal Üniversitesi araştırmacısı ve New Atlas'ta proje üzerinde çalışan araştırmacılar - Ancak onu bir güç santraline dönüştürebileceğinize dair inandırıcı kanıtlar olduğunu söyleyemem. ITER veya toroidal manyetik sınırlamadan daha hızlı ölçek."
Houle'a göre bu konudaki temel sorunYaklaşımlar bu reaksiyonların göz açıp kapayıncaya kadar gerçekleşmesidir. Teknolojinin pratik bir enerji santraline uygulanabilmesi için, kısa vadeli, tek seferlik reaksiyonlardan yanan ateş gibi sürekli enerji kaynağı üreten bir şeye dönüşmesi gerekiyor.
Z-tutam - kara at
Atalet yaklaşımının bir başka ilginç örneğiNükleer füzyonla sınırlandırma, Z-tutamıdır. Füzyon enerjisi araştırmalarında, plazmayı sıkıştıran bir manyetik alan oluşturmak için plazmadaki elektrik akımını kullanan bir tür plazma hapsetme sistemidir.
Başka bir deyişle, kullanmak yerinePlazma akışlarını yerinde tutmak için büyük ve karmaşık manyetik bobinler; plazmanın kendi içinde üretilen bir elektromanyetik alanı kullanan bir yaklaşım. Nükleer füzyon yarışının karanlık atı bu diyebiliriz. 1950'lerdeki başlangıcından bu yana, kıstırma etkisi tokamaklardan veya yıldızlaştırıcılardan daha basit bir konfigürasyon vaat etti. Ancak bu cihazlar gibi o da manyetik alan çizgilerinin ötesine uzanan plazmadaki kararsızlığa tabidir.
Washington Üniversitesi'nde Z-pinch tutma sistemi
Washington Üniversitesi'nden bilim adamları geldiBu çarpmaları düzeltmenin bir yolu, plazma hidrodinamiğini ayarlamaktır. HB11 lazer yaklaşımı gibi enerji sorununa ümit vaat eden bir çözüm olsa da, Z-tutam, sürekli güç sağlama söz konusu olduğunda hala büyük zorluklarla karşı karşıyadır. Sorun, doğası gereği dürtüsel olmasıdır.
Sonuç nedir?
ITER, toroidal manyetik sınırlamave tokamak tasarımı açık ara en gelişmiş olanlardır. Ancak nükleer füzyon araştırmacıları, her birinin kendine göre avantajları ve dezavantajları olan farklı yaklaşımlar kullanıyor. Ne yazık ki, yaklaşım ne olursa olsun, süreç hâlâ geri getirdiğinden daha fazla enerji gerektiriyor. Ancak temiz enerji üretmek için bu mühendislik ve fizik problemlerini çözmek, ne kadar zor olursa olsun, insanlığın en büyük başarılarından biri olacaktır.
Daha fazla oku
Dünyanın ilk doğru haritası oluşturuldu. Herkesin nesi var?
Şifreleme için insan elinden gelen kızılötesi radyasyon kullanıldı
Uranüs, güneş sistemindeki en garip gezegen statüsünü aldı. Neden?
Torus (toroid) - hacimseldirhalkanın dönme merkezi etrafında dönmesinden kaynaklanan şekil. Bir simitin kaba örnekleri bir çörek, simit veya tekerlekten çıkarılan bir bisiklet tüpü olabilir.