Що таке ядерний синтез?
Ядерний синтез (у даному випадку йдеться про термоядерний синтез) – це реакція
Відповідно до сучасних астрофізичнимуявленням, основним джерелом енергії Сонця та інших зірок є що відбувається в їхніх надрах термоядерний синтез. У земних умовах він здійснюється під час вибуху водневої бомби. Термоядерний синтез супроводжується колосальним енерговиділенням на одиницю маси реагуючих речовин (приблизно в 10 млн разів більшим, ніж у хімічних реакціях). Тому представляє великий інтерес опанувати цим процесом і на його основі створити дешевий і екологічно чисте джерело енергії. Однак незважаючи на те, що дослідженнями керованого термоядерного синтезу (КТС) зайняті великі науково-технічні колективи в багатьох розвинених країнах, треба буде розв'язати ще чимало складних проблем, перш ніж промислове виробництво термоядерної енергії стане реальністю.
Сучасні атомні станції, які використовують процесподілу, лише частково задовольняють світові потреби у електроенергії. Паливом їм служать природні радіоактивні елементи уран і торій, поширеність і запаси що у природі дуже обмежені; тому для багатьох країн виникає проблема їхнього імпорту. Головним компонентом термоядерного палива є ізотоп водню дейтерій, що міститься у морській воді. Запаси його загальнодоступні і дуже великі (Світовий океан покриває ~71% площі Землі, але в частку дейтерію припадає близько 0,016% загальної кількості атомів водню, що входять до складу води).
Крім доступності палива, термоядерні джерела енергії мають наступні важливі переваги перед атомними станціями:
- реактор УТС містить набагато менше радіоактивних матеріалів, ніж атомний реактор поділу, і тому наслідки випадкового викиду радіоактивних продуктів менш небезпечні;
- при термоядерних реакціях утворюється менше довгоіснуючих радіоактивних відходів;
- УТС допускає пряме отримання електроенергії.
Успішне здійснення реакції синтезу залежить від властивостей використовуваних атомних ядер і можливості отримання щільної високотемпературної плазми, яка необхідна для ініціювання реакції.
Як виділяється енергія при синтезі?
Енерговиділення при ядерному синтезі обумовленодіючими всередині ядра надзвичайно інтенсивними силами тяжіння; ці сили утримують разом входять до складу ядра протони і нейтрони. Вони дуже інтенсивні і надзвичайно швидко слабшають зі збільшенням відстані. Крім цих сил, позитивно заряджені протони створюють електростатичні сили відштовхування. Радіус дії електростатичних сил набагато більше, ніж у ядерних, тому вони починають переважати, коли ядра віддалені один від одного.
У нормальних умовах кінетична енергія ядерлегких атомів занадто мала для того, щоб, подолавши електростатичне відштовхування, вони могли зблизитися і вступити в ядерну реакцію. Однак відштовхування можна подолати «грубої» силою, наприклад, зіштовхуючи ядра, що володіють високою відносною швидкістю.
Навіщо вчені займаються ядерною синтезом?
Дослідники, що розробляють термоядернийреактор, який може генерувати більше енергії, ніж споживає, показали в серії недавніх робіт, що їх конструкція повинна працювати, відновлюючи оптимізм щодо того, що цей чистий, безмежне джерело енергії допоможе пом'якшити кліматичну кризу.
Група дослідників з Массачусетськоготехнологічного інституту (MIT) і інших інститутів заявляє, що компактний термоядерний реактор SPARC буде працювати в реальності. По крайней мере, теоретично, про що вони стверджують в серії недавно опублікованих досліджень.
Команда вказує, що на етапах планування небуло виявлено ніяких несподіваних перешкод або сюрпризів. Про це йдеться в семи статтях, написаних 47 дослідниками з 12 різних наукових установ.
Хоча новий реактор все ще знаходитьсяНа ранній стадії розробки, вчені сподіваються, що до кінця десятиліття він зможе почати виробляти електрику. Мартін Грінвальд, один із старших вчених проекту, розповів в інтерв'ю The Guardian, що ключовою мотивацією для амбітних термінів є задоволення потреб в енергії в умовах потепління. "Fusion здається одним з можливих рішень, що дозволяють вибратися з кліматичної катастрофи, що насувається", - сказав він.
У чому проблема синтезу і як він може допомогти планеті?
Ядерний синтез, фізичний процес, якийпускає в хід наше Сонце, відбувається, коли атоми стикаються разом при надзвичайно високих температурах і тиску, примушуючи їх виділяти величезну кількість енергії за рахунок злиття з більш важкими атомами.
З того часу, як він був вперше виявленийв минулому столітті, вчені прагнули використовувати термоядерний синтез, надзвичайно щільну форму енергії, паливо якої - ізотопи водню - в достатку і поповнюється. Більш того, термоядерний синтез не виробляє парникових газів або вуглецю, і, на відміну від ядерних реакторів поділу, не несе ризику розплавлення.
Однак використання цієї форми ядерної енергіївиявилося надзвичайно важким, оскільки знадобилося нагріти «суп з субатомних частинок» — плазму, до сотень мільйонів градусів — занадто гарячих, щоб їх міг витримати будь-який контейнер. Щоб обійти це, вчені розробили камеру в формі пончика з сильним магнітним полем, що проходить через неї, названу токамаком, яка утримує плазму на місці.
Що вже розробляється?
Вчені Массачусетського технологічного інститутуі дочірня компанія Commonwealth Fusion Systems приступили до проектування нового реактора, більш компактного, ніж його попередники, ще на початку 2018 року, а будівництво почнеться в першій половині наступного року. За словами дослідників і офіційних осіб компанії, якщо їх графік піде за планом, реактор під назвою Sparc зможе виробляти електроенергію для мережі до 2030 року. Це буде набагато швидше, ніж існуючі великі ініціативи по термоядерної енергії.
Існуючі конструкції реакторів надто великіта дороги, щоб реально виробляти електроенергію для споживачів. Використовуючи ультрасучасні надміцні магніти, команда Массачусетського технологічного інституту та Commonwealth Fusion сподівається створити компактний, ефективний та масштабований реактор токамака. "Що ми дійсно зробили, так це поєднали існуючу науку з новим матеріалом, щоб відкрити величезні нові можливості", - сказав Грінвальд.
Після демонстрації того, що пристрій Sparcтеоретично може виробляти більше енергії, ніж потрібно для роботи, в дослідженнях, опублікованих в вересні, наступним кроком є будівництво реактора, а потім пілотна установка, яка буде виробляти електроенергію в мережі.
Всі «за» і «проти» ядерного синтезу
Вчені і підприємці давно обіцяли, щотермоядерний синтез не за горами, але зіткнулися з непереборними проблемами. Це викликало небажання інвестувати в нього, особливо тому, що вітрова, сонячна та інші поновлювані джерела енергії, хоча і менш потужні, ніж термоядерний синтез, стали більш ефективними і рентабельними.
Але ситуація змінюється.У плані Байдена на суму 2 трлн доларів він назвав передові ядерні технології частиною стратегії декарбонізації. Демократи вперше підтримали ядерну енергетику з 1972 року. Значні інвестиції надходять також з приватних джерел, включаючи деякі великі нафтогазові компанії, які бачать термоядерний синтез як найкраща довгострокова точка опори, ніж вітер і сонце.
За словами Боба Мамгаарда, виконавчогодиректора Commonwealth Fusion, мета полягає не в тому, щоб використовувати термоядерний синтез для заміни сонячної та вітрової енергії, а в їх доповненні. «Є речі, які буде складно зробити тільки з використанням відновлюваних джерел енергії, в промислових масштабах, наприклад, з харчуванням великих міст або виробництва, - сказав він. — Ось де може стати в нагоді синтез».
Спільнота фахівців з плазмі в цілому з ентузіазмом ставиться до прогресу Sparc, хоча деякі ставлять під сумнів амбітні терміни, враховуючи технічні і нормативні перешкоди.
Деніел Джессбі, який пропрацював 25 років науковимспівробітником в Принстонской лабораторії фізики плазми, скептично ставиться до того, чи зможе термоядерний реактор, такий як SPARC, коли-небудь стати можливим альтернативним джерелом енергії. За його словами, тритій, один з ізотопів водню, який буде використовуватися Sparc як паливо, не зустрічається в природі і його необхідно проводити.
Команда Массачусетського технологічногоінституту передбачає, що ця речовина буде безперервно регенеруватися самої реакцією синтезу. Але Джессбі вважає, що для цього буде потрібно величезна кількість електроенергії, що зробить реактор непомірно дорогим. «Коли ви вважаєте, що ми отримуємо сонячну і вітрову енергію безкоштовно, було б нерозумно покладатися на реакцію синтезу», - підсумовує він.
Читати далі
Дослідження: люди не зможуть управляти сверхразумное машинами з ІІ
Аборти і наука: що буде з дітьми, яких народять
Подивіться на найкрасивіші знімки «Хаббла». Що побачив телескоп за 30 років?