Навіщо потрібна термоядерна енергія?
Щоб запобігти підвищенню глобальної температури більш ніж на 1,5
А що, якби було одне енергетичне рішення, яке могло б вирішити всі ці нагальні проблеми? Хоча це звучить фантастично, воно існує.
Одна з найпотужніших форм енергії, яку мивикористовуємо сьогодні, - це ядерна енергія. Хоча сучасна атомна енергетика надзвичайно ефективна і створює нульові викиди вуглецю, у неї є багато недоліків, і вони серйозні: потенційні ядерні розплави і радіоактивні відходи, які залишаються небезпечними протягом тисяч років.
Але є спосіб кращий.
Що таке термоядерний синтез і як його застосувати на Землі?
Всі нинішні ядерні реактори працюють звикористанням ядерного ділення, процесу розщеплення атомів для отримання енергії. Протягом багатьох років вчені задавалися питанням, як ми можемо використовувати зворотний процес - ядерний синтез, який «пускає в хід» Сонце, поєднуючи атоми разом - для задоволення зростаючих потреб в енергії на Землі. Сам термоядерний синтез є надпотужним процесом, в кілька разів потужнішим, ніж розподіл, і не призводить до утворення ядерних відходів, оскільки його паливом є не уран або плутоній, а водень. По суті, в разі успіху розробки термоядерного реактора, вчені створять «міні-сонце» на Землі.
«Досягнення контрольованих термоядерних реакцій,які споживають більше енергії, ніж потрібно для їх генерації, і в промислових масштабах розглядається як потенційна відповідь на зміну клімату », - пояснює науковий кореспондент Натаніель Гроневольд для Scientific American. «Енергія термоядерного синтезу усуне потребу в викопному паливі і вирішить проблеми уривчастості і надійності, властиві поновлюваних джерел енергії. Енергія буде генеруватися без небезпечного кількості випромінювання, яке викликає занепокоєння з приводу ядерної енергії розподілу ».
Офіційні особи Міжнародного термоядерногоекспериментального реактора (ІТЕР), багатонаціонального проекту, що базується на півдні Франції, оголосили, що тепер вони знаходяться всього в 6,5 років від «Першої плазми», що є історичною віхою. Відповідно до прес-релізу на цьому тижні, проект ІТЕР, підтримуваний консорціумом з 35 країн, в даний час завершено на 65%. Нещодавно встановлена секція - підстава кріостату і нижній циліндр - прокладає шлях для установки токамака, технологічної конструкції, обраної для розміщення потужного магнітного поля, яке буде оточувати ядро термоядерного синтезу сверхгорячей плазми.
Проблеми ядерного синтезу
Ядерний синтез так важко здійснити черезекстремальних умов - наприклад, в ядрі Сонця - які потрібно відтворити тут, на Землі. Як пояснили в Міністерстві енергетики США, «термоядерні реакції вивчаються вченими, але їх важко підтримувати протягом тривалих періодів часу через величезний тиск і температури, необхідних для з'єднання ядер».
Енергія термоядерного синтезу потребує утриманнядуже гарячої плазми під високим тиском. Для магнітного утримання дуже гарячої — набагато гарячішої, ніж центр Сонця — плазми потрібні сильні магнітні поля. Вони мають у 10 разів перевищувати атмосферний тиск на поверхні Землі. Сила магнітного поля є критичним параметром у досягненні цих умов, оскільки воно забезпечує як ізоляцію, щоб підтримувати плазму гарячої, так і зовнішній тиск, щоб стабільно утримувати її — і все це без фізичного контакту між плазмою та поверхнею матеріалу.
Незважаючи на те, що ядерний синтез даєнеймовірні перспективи для вирішення деяких із найскладніших проблем сучасного світу, час іде, і багато експертів кажуть, що навіть якщо синтез не за горами, час не на нашому боці. Хоча є надія, що ІТЕР буде запущено до 2025 року та повністю введено в експлуатацію приблизно до 2035 року, це може бути надто пізно. Ще в 2019 році експерти з клімату стверджували, що 12-річний термін, який Міжурядова група експертів дала світові, щоб навернути зміну ситуації на планеті назад, можливо, доведеться скоротити до 18 місяців. Ганс Йоахім Шелльнхубер з Потсдамського інституту клімату рік тому пояснив це так: «Математика клімату гранично ясна: хоча світ не може бути зцілений протягом найближчих кількох років, він може бути смертельно поранений через недбалість до 2020 року».
Однак на цьому тижні надія на отримання чистої енергії знову зажлась.
проект SPARC
Вчені, які розробляють компактну версіюядерного термоядерного реактора, показали в серії дослідницьких робіт: він повинен працювати, відродивши сподівання на те, що давно невловиму мету імітації твору Сонцем енергії може бути досягнуто і зрештою сприятиме боротьбі з кліматом.
Центр плазмових досліджень і термоядерногосинтезу Массачусетського технологічного інституту у співпраці з приватним стартапом Commonwealth Fusion Systems (CFS) розробляє концептуальний проект SPARC. Це компактний високовольтний експеримент з чистою термоядерної енергією. Як очікується, SPARC буде розміром з існуючі термоядерні пристрої середнього масштабу, але з набагато більш сильним магнітним полем. Спираючись на закони фізики, вчені сподіваються, що пристрій буде виробляти 50-100 МВт термоядерної потужності. Такий експеримент стане першою демонстрацією створення чистої енергії і можливістю створення пристрою, побудованого з використанням нової сверхпроводящей технології. SPARC вписується в загальну стратегію прискорення розробки термоядерного синтезу за рахунок використання нових високопольового високотемпературних надпровідних (ВТНП) магнітів.
Термоядерна енергетична установка Sparc буде відносно невеликою, як показано на цьому зображенні реакційної камери.
Т. Хендерсон / CFS / MIT-PSFC
терміни будівництва
Очікується, що будівництво реактора підназвою SPARC, який розробляється дослідниками з Массачусетського технологічного інституту і дочірньою компанією Commonwealth Fusion Systems, почнеться навесні наступного року і триватиме три або чотири роки, заявили дослідники та представники компанії.
Хоча залишається ще багато серйозних проблем,компанія заявила, що за будівництвом підуть випробування і в разі успіху будівництво електростанції, яка могла б використовувати термоядерну енергію для вироблення електроенергії, починаючи з наступного десятиліття.
Цей амбітний графік набагато швидше, ніж унайбільшого у світі проекту зі створення термоядерної енергії, багатонаціонального проекту на півдні Франції під назвою ІТЕР. Цей реактор будується з 2013 року, і хоча він не призначений для вироблення електроенергії, очікується, що до 2035 року він даватиме реакцію синтезу.
Боб Мамгаард, генеральний директор CommonwealthFusion і один із засновників компанії, сказав, що мета проекту SPARC - вчасно розробити термоядерний синтез, щоб він зіграв роль у пом'якшенні наслідків глобального потепління. «Ми зосереджені на тому, щоб якомога швидше отримати термоядерну енергію», - сказав він.
Термоядерний синтез, у якому легкі атомизбираються разом при температурах в десятки мільйонів градусів для вивільнення енергії, що став для всього світу способом подолання наслідків виробництва електроенергії для зміни клімату.
Подібно до звичайної ядерної електростанції поділу, яка розщеплює атоми, термоядерна установка не спалюватиме викопне паливо і не вироблятиме викиди парникових газів.
критика проекту
Незважаючи на амбіції проекту, перешкоди на шляхустворення машини, здатної створювати термоядерну плазму і управляти вируючім сверхгорячей хмарою атомів, яке пошкоджує або руйнує все, до чого торкаються, величезні.
Деякі вчені, які десятиліттями працювали над термоядерної енергією, кажуть, що хоча вони з ентузіазмом ставляться до перспектив Sparc, графік може бути просто нереальним.
«Читання цих документів (дослідних робіт- прим. ред.) дає мені відчуття, що у розробників буде контрольована термоядерна термоядерна плазма, про яку ми всі мріємо », - заявив Кері Форест, фізик з Університету Вісконсіна, який не бере участі в проекті. Однак він не впевнений, що терміни виконання проекту реальні.
За словами доктора Мумгаарда, SPARC буде набагатоменше, ніж ITER - розміром з тенісний корт, в порівнянні з футбольним полем, - і набагато дешевше, ніж міжнародний проект, який, за офіційними оцінками, обійдеться приблизно в 22 млрд доларів, але і ця цифра - не межа. Компанія Commonwealth Fusion, заснована в 2018 році і налічує близько 100 співробітників, на даний момент привернула 200 млн доларів на свій проект.
Відмінності Sparc від ITER
Відколи майже століття тому почалисяексперименти з термоядерного синтезу, перспектива створення практичного термоядерного пристрою, який може виробляти більше енергії, ніж використовується, залишалася невловимою.
Але, якщо вірити висновкам вчених у The Journal of Plasma Physics, проект SPARC досягне успіху і вироблятиме в 10 разів більше енергії, ніж споживає.
Дослідження «підтверджує, що проект, надяким ми працюємо, швидше за все, буде працювати », - заявив Мартін Грінвальд, заступник директора Центру плазмових досліджень і термоядерного синтезу Массачусетського технологічного інституту і один з провідних вчених проекту. Доктор Грінвальд є засновником Commonwealth Fusion, але в даний час не пов'язаний з компанією.
SPARC використовує той же тип пристрою, що іITER: токамак, або камера в формі пончика, всередині якої відбувається реакція синтезу. Оскільки хмара плазми таке гаряче - гаряче, ніж Сонце, - його необхідно утримувати магнітними силами.
ІТЕР робить це за допомогою величезних електромагнітних котушок, що містять надпровідні дроти, які необхідно охолоджувати рідким гелієм.
Макет термоядерного реактора ІТЕР (перетин)
CC BY-SA 2.0 fr
За словами Грінвальда, SPARC використовуєпереваги нової електромагнітної технології, в якій використовуються так звані високотемпературні надпровідники, які можуть створювати набагато більш сильне магнітне поле. В результаті плазма набагато менше.
Документи показують, що «цей шлях з високимполем все ще виглядає життєздатним », - сказав доктор Грінвальд. «Якщо ми зможемо подолати інженерні проблеми, ця машина буде працювати так, як ми прогнозуємо».
Commonwealth Fusion заявила, що оголосить про місцезнаходження SPARC через кілька місяців.
Хто ще працює над термоядерної енергією і чи є надія?
Commonwealth Fusion - лише одна з багатьохкомпаній, що працюють над розробкою та комерціалізацією термоядерної енергії в партнерстві з дослідними установами, за підтримки сотень мільйонів доларів інвестицій.
Наприклад, компанія TAE Technologies, що базуєтьсяв Південній Каліфорнії працює над конструкцією, в якій використовується лінійний пристрій, який стріляє двома хмарами плазми один в одного для отримання термоядерного синтезу.
First Light Fusion, дочірня компанія Оксфордського університету в Англії, використовує енергію для стиснення і стиснення термоядерного палива.
Лікар Форест сказав:використовуючи сильніші магнітні поля, SPARC можна назвати більш «консервативним». «Це повністю відрізняє його від усіх стартапів, які за визначенням є більшими. ризикованими», — наголошує він.
Вільям Дорланд, фізик з Університету Меріленда іредактор журналу The Journal of Plasma Physics, сказав, що журнал попросив представників деяких з цих термоядерних проектів «розповісти про їхні фізичні основи». За його словами, група MIT і Commonwealth Fusion швидко погодилася.
«З моєї точки зору, це перша з цих груп, уякої є приватні гроші, яка насправді дуже ясно говорить про те, що вони роблять, - сказав доктор Дорланд. - Розумні люди розходяться в думках про те, чи працює це. Але я просто щасливий, що вони активізувалися і розповідають нам, використовуючи нормальну науку, що відбувається », - підсумовує він.
В кінцевому підсумку будь наслідків чекати відрозробки термоядерного реактора? Якщо технологічні процеси будуть налагоджені і контрольовані, це врятує людство. Чиста енергія від синтезу атомів замість їх розподілу як мінімум убезпечить планету від ядерних відходів.
Що в підсумку?
Незважаючи на всю небезпеку та складність проектів порозробці термоядерного синтезу, не схоже, що людство має якісь альтернативи. Межа можливостей планети обмежена, на відміну потреб людини. Чи виконають свої обіцянки SPARC, ITER або якийсь стартап, покаже час.
Читати також
Вчений створив фарбу, яка може замінити дорогі сонячні панелі
Місія CHEOPS знайшла планету з найжорсткішими умовами у Всесвіті. головне
Астрономи виявили місячний прискорювач 60-х років. Він прямує в бік Землі