Синтез і розподіл: в чому різниця?
Синтез і розподіл — це різні процеси виробництва ядерної енергії.
Ця енергія, вироблена в результаті ядерногоподілу, вловлюється усередині реакторів і використовується для нагріву води до стану пара, що обертає турбіну і виробляє електрику. Але в результаті цього процесу утворюються відходи, які можуть залишатися радіоактивними протягом мільйонів років. Ситуація в реакторах на Фукусімі і Чорнобилі, показала, чим це може обернутися.
З іншого боку, термоядерний синтез не приведедо утворення довгострокових ядерних відходів, а необхідні матеріали можна переробити протягом 100 років. Також немає небезпеки аварії, тому що процес заснований на високотемпературних реакціях, які припиняються за кількох секунд при порушенні роботи обладнання. А оскільки в цих реакціях використовується відносно невелика кількість палива, немає небезпеки їх використання для виробництва ядерної зброї.
В області досліджень ядерного синтезу беруть участьвчені, які прагнуть до однієї мети - відтворення процесів, які саме Сонце використовує для виробництва величезної кількості енергії. Величезні гравітаційні сили утримують водень з атмосфери Сонця і використовують інтенсивне тепло і тиск для перетворення газу в плазму. У ній з високою швидкістю стикаються ядра, утворюючи гелій і вивільняючи енергію.
Ще один ключовий фактор - це сила тяжіння.Колосальні гравітаційні сили Сонця приблизно в 28 разів більше, ніж тут, на Землі. Вченим довелося виявити творчий підхід до обмеження палива для реакцій ядерного синтезу. Найбільш переважний підхід в його нинішньому вигляді полягає у використанні магнітних полів, які можна використовувати для утримання двох важких форм водню, дейтерію і тритію, в пристрої, яке називається токамак.
Токамак - великі надії
Саме слово «токамак» нічогоне позначає це просто скорочення, яке потім стало повноцінним словом. Його використовують не тільки в Росії, але і за кордоном, тому що саме в нашій країні цю штуку придумали і саме у нас вони довгий час активно розвивалися.
Токамак - тороїдальна камера з магнітними котушками. Тільки і всього.
Суть токамака зводиться до того, щоб створитимагнітне поле, в якому протікатиме реакція термоядерного синтезу. Так як температура такої реакції не просто висока, а буквально позамежна (кілька мільйонів градусів Цельсія), її не можна проводити просто всередині якоїсь камери вона розплавиться задовго до досягнення робочої температури.
Така температура досягається через те, щовсередині токамака речовина знаходиться в четвертому агрегатному стані, яке досягається при таких високих температурах. Такий стан називається плазма. На Землі плазма в природному середовищі зустрічається тільки в блискавці і Північному сяйві, в космосі з неї складається буквально все зірки, туманності, міжзоряне.
Всередині будівлі, в якому розміститься найбільший в світі реактор-токамак.
Першим, хто запропонував використовувати термоядернийсинтез, в тому числі і для промислових цілей, був радянський фізик О.А. Лаврентьєв. Зробив він це у своїй роботі 1950 року. Саме з його роботи почалося вивчення способів використання термоядерного синтезу.
Через рік інші фізики - А.Д.Сахаров і І.Є. Там розвили ідею і сказали, що термоядерна реакція повинна підтримуватися всередині замкнутої камери тороїдальної форми. Для створення всередині струму магнітного поля, він складається з секцій, всередині яких намотані котушки. Так як вони йдуть по всій довжині камери і створюють щось на кшталт замкненого тунелю, магнітне поле, що виходить, називають тороїдальним. Це і є робоча зона встановлення.
Усередині китайського експериментального вдосконаленого надпровідного токамака (EAST).
Коли камера заповнена, в ній створюєтьсявихрове електричне поле, яке підтримують плазму всередині камери, а заразом розігріває її, доводячи до тієї самої температури в кілька мільйонів градусів.
Оскільки поле і нагрів створюються за рахунокзбільшення струму в індукторі, а він не може збільшуватися нескінченно, час існування плазми в стабільному стані поки не перевищує декількох секунд. Це і є головною причиною того, що ми поки не можемо використовувати токамаки в якості джерела промислового отримання енергії. Існують способи вирішення цієї проблеми, в тому числі з використанням мікрохвильового випромінювання, але поки роботи в цьому напрямку ще ведуться.
Багато людей, які працюють над досягненням цієїцілі, покладають великі надії на пристрій наступного покоління, яке зараз будується. ІТЕР, або Міжнародний термоядерний експериментальний реактор, - один з самих амбітних енергетичних проектів, які коли-небудь робило людство, з участю вчених і інженерів з країн 35. Коли він буде завершений в 2025 році, він стане найбільшим у світі пристроєм ядерного синтезу.
Хоча більшість амбіцій людствав області ядерного синтезу пов'язана з ІТЕР, є й інші захоплюючі можливості. У тому числі ще один термоядерний реактор з магнітним утриманням — стеларатор.
Стеллатор - наслідуючи зірці
Як і токамаки, стеларатори призначені дляутримання потоків плазми у замкненій камері за допомогою магнітних котушок, але з деякими ключовими відмінностями. Замість гарної симетричної форми пончика стеларатор розсилає плазму по неправильних колах, які обертаються та обертаються за допомогою неймовірно складної серії магнітних котушок. Це здається нелогічним, але насправді це створює велику стабільність у плазмі через відмінності у внутрішньому струмі, пише New Atlas.
Сам по собі, стелларатор - тип реактора дляздійснення керованого термоядерного синтезу. Назва походить від лат. stella - зірка, вказує вказувати на схожість процесів, що відбуваються в стелараторі і всередині зірок. Винайдено американським вченим-фізиком Л. Спітцером в 1950 році, перший зразок побудований під його керівництвом в наступному році в рамках секретного проекту «Маттерхорн».
Wendelstein 7-X (W7-X) - експериментальнаустановка для дослідження високотемпературної плазми, розташована в місті Грайфсвальді в Німеччині. Її будівництво здійснювалося Інститутом фізики плазми Товариства Макса Планка з 2005 по 2014 роки. Метою установки є перевірка промислової придатності термоядерного реактора типу стелларатор, а також дослідження і вдосконалення технічних компонентів і технологій в області керованого термоядерного синтезу.
У таких реакторах термоядерного синтезутороїдальна камера має складну звивисту форму, як і створювані навколо неї магнітні поля. Така незвичайна конструкція, згідно з теорією, допомагає таким реакторам працювати в безперервному режимі, витрачаючи на це набагато менше енергії, ніж витрачають звичайні рівні 187; реактори типу токамак. Крім цього, складна конфігурація магнітного поля дозволяє надійно утримувати високотемпературну плазму, що зменшує ризик контакту з внутрішніми стінками камери реактора. Однак такі переваги вимагають своєї ціни, яка полягає у складності проектування та виготовлення самого реактора.
У грудні 2017 року W7-X завершив другийетап експериментів, в яких використовувалися поліпшені системи розігріву плазми та проведення вимірювань. Основним елементом, який випробовувався на другому етапі, була система відведення тепла, робота якої не повинна впливати на шнур плазми. Цей інструмент складається з ланцюжка магнітів, які формують складні магнітні поля, змушуючи плазму проходити «впритул» до 10 тепловідвідних пластин. Будь-яке відхилення магнітних полів тягне за собою відхилення плазмового шнура, що призводить до перегріву пластин і надмірного охолодження і руйнування плазмового шнура.
Роботою електромагнітів, що створюють магнітне поле, управляє складна система управління, в якій використовується безліч зворотних зв'язків.
Оскільки стелараторі не вимагають такого великоговнутрішнього струму і за своєю природою пропонують велику стабільність, ніж токамаки, Хоул каже, що вони цілком можуть бути краще пристосовані для забезпечення енергією мережі. Але це за умови, що неймовірно складна інфраструктура може бути побудована не дуже дорогим способом і з таким же обмеженням, що не так в нинішньому вигляді.
Інерційне утримання - радикальний підхід
Крім області магнітного утримання, досліджуютьсяінші підходи до ядерного синтезу, які підпадають під так зване інерційний утримання. Інерційних керований термоядерний синтез - один з видів термоядерного синтезу, при якому термоядерна паливо утримується власними силами інерції. Ідея полягає в швидкому і рівномірному нагріванні термоядерного палива, так, щоб утворилася плазма до розльоту встигла прореагувати. Таким чином, при використанні даного принципу реактор буде імпульсним. Це новий напрямок досліджень в області ядерного синтезу передбачає використання дуже точно націлених лазерних або іонних променів для швидкого нагріву паливної таблетки, яка буде складатися з дейтерію і тритію.
Ідея полягає в тому, що вплив на ціпаливні таблетки такого раптового і сильного нагрівання викличе величезні стискають сили, які запускають ланцюгову реакцію через шари матеріалу, в яких може відбуватися ядерний синтез, вивільняючи величезну кількість енергії. Австралійська компанія HB11 Energy прагне покінчити з традиційним рецептом дейтерію і тритію на користь нерадіоактивного підходу, що включає водень і бор-b11.
Невелика гранула воднево-борного паливапоміщається у велику сферу і уражається двома лазерами одночасно, щоб викликати реакцію синтезу, яка безпосередньо генерує електрику без використання парових турбін.
Компанія стверджує, що уникає багатьох проблем,які десятиліттями переслідували ядерний синтез, в основному тому, що вона не намагається нагріти своє паливо до дуже високих температур. Він піддає свої паливні таблетки впливу двох лазерів, один для створення магнітного утримуючого поля, а другий для запуску ланцюгової реакції синтезу водню і бору, яка створює частинки, які, в свою чергу, можуть генерувати електричний струм.
За словами фахівців, цей струм можна майжебезпосередньо направити в існуючу енергосистему. Не було необхідності в паротурбінному генераторі або теплообміннику, і не було небезпеки розплавлення. Команда дуже оптимістично ставиться до своєї технології і заявляє, що її експерименти показують швидкість реакції в мільярд разів краще, ніж прогнозувалося, і вважають, що її план розвитку буде набагато швидше і дешевше, ніж інші підходи.
Енергія, що вивільняється в результаті такоїреакції, здатна нагрівати навколишнє паливо і, якщо температура буде досить висока, це також може почати термоядерну реакцію. Метою таких установок є можливість досягти термоядерного «горіння», коли процес вивільнення тепла викликає ланкову реакцію, що зачіпає значну частину палива. Звичайний кулька палива має розмір шпилькової головки і містить близько 10 міліграмів палива. На практиці лише незначна частина цього палива може бути задіяна в термоядерної реакції, але якщо все це паливо буде використано, це вивільнить енергію, еквівалентну згорянню бареля нафти.
«Це цікава наука, - заявив Метью Хоул,експерт з ядерного синтезу і науковий співробітник Австралійського національного університету, знайомий з HB11 і дослідниками, які працюють над проектом в New Atlas — Але б не сказав, що є переконливі докази того, що вибрати це. в електростанцію в більш швидкому масштабі, ніж ІТЕР або тороїдальне магнітне утримання».
За словами Хоула, ключова проблема такихпідходів полягає в тому, що ці реакції відбуваються в мить ока. Щоб технологія могла бути застосована до практичної електростанції, вона повинна перерости від короткочасних разових реакцій до чогось, що виробляє постійний запас енергії, наприклад, до вогню, що горить.
Z-пінч - темна конячка
Ще один цікавий приклад підходу з інерційнимутриманням до ядерного синтезу - Z-пінч. У дослідженнях термоядерної енергії він являє собою тип системи утримання плазми, який використовує електричний струм у плазмі для створення магнітного поля, яке стискає її.
Іншими словами, замість того, щоб використовувативеликі та складні магнітні котушки для утримання потоків плазми на місці, такий підхід використовує електромагнітне поле, яке генерується всередині самої плазми. Можна сказати, що це темна конячка в гонці ядерного синтезу. З моменту свого створення в 1950-х роках пінч-ефект обіцяє простішу конфігурацію, ніж токамаки або стеларатори. Але, як і ці пристрої, він також простий. схильний до нестабільності в плазмі, яка виходить за межі силових ліній магнітного поля.
Система утримання Z-pinch в Вашингтонському університеті
Вчені з Вашингтонського університету придумалиспосіб згладити ці опуклості шляхом настройки гідродинаміки плазми. Будучи багатообіцяючим рішенням енергетичної проблеми, як і лазерний підхід HB11, Z-пінч все ж зіткнеться з серйозними проблемами, коли справа дійде до забезпечення безперервної потужності. Проблема в тому, що він також є імпульсним за своєю природою.
Що в підсумку?
ІТЕР, тороїдальне магнітне утриманняі конструкція токамака, безумовно, є найбільш просунутими. Однак дослідники ядерного синтезу використовують різні підходи, кожен зі своїми перевагами і недоліками. На жаль, незалежно від підходу, процес як і раніше вимагає більше енергії, ніж повертає. Але вирішення цих інженерних і фізичних проблем для отримання чистої енергії, яким би неймовірно складним воно не було, буде одним з найбільших досягнень людства.
Читати далі
Створено першу точна карта світу. Що не так з усіма іншими?
Інфрачервоне випромінювання від рук людини використовували для шифрування
Уран отримав статус самої дивної планети в Сонячній системі. Чому?
Тор (тороид) - являє собою об'ємнуфігуру, яка утворюється в результаті обертання кільця навколо центру обертання. Грубими прикладами тора можуть служити пончик, бублик або велосипедна камера, вийнята з колеса.