Turinys:

Ar termobranduolinė energija turi ateitį?
Ar termobranduolinė energija turi ateitį?

Video: Ar termobranduolinė energija turi ateitį?

Video: Ar termobranduolinė energija turi ateitį?
Video: ChatGPT: Kaip uždirbti iš dirbtinio intelekto grėsmės? (Investuojantiems) 2024, Kovas
Anonim

Daugiau nei pusę amžiaus mokslininkai Žemėje bando sukurti mašiną, kurioje, kaip ir žvaigždžių žarnyne, vyksta termobranduolinė reakcija. Valdomos termobranduolinės sintezės technologija žmonijai žada beveik neišsenkamą švarios energijos šaltinį. Sovietų mokslininkai buvo šios technologijos ištakos – ir dabar Rusija padeda statyti didžiausią pasaulyje branduolių sintezės reaktorių.

Atomo branduolio dalis laiko kartu didžiulė jėga. Yra du būdai jį išleisti. Pirmasis būdas – panaudoti didelių sunkiųjų branduolių dalijimosi energiją iš tolimiausio periodinės lentelės galo: urano, plutonio. Visose Žemės atominėse elektrinėse energijos šaltinis yra būtent sunkiųjų branduolių irimas.

Tačiau yra ir antras būdas išlaisvinti atomo energiją: ne skaidyti, o, priešingai, sujungti branduolius. Susiliedami kai kurie iš jų išskiria net daugiau energijos nei skiliojo urano branduoliai. Kuo branduolys lengvesnis, tuo daugiau energijos išsiskirs sintezės (kaip sakoma, sintezės) metu, todėl efektyviausias būdas gauti branduolių sintezės energijos yra priversti susijungti lengviausio elemento – vandenilio – branduolius ir jo izotopus..

Rankų žvaigždė: tvirti privalumai

Branduolio sintezė buvo atrasta praėjusio amžiaus ketvirtajame dešimtmetyje tyrinėjant procesus, vykstančius žvaigždžių viduje. Paaiškėjo, kad branduolių sintezės reakcijos vyksta kiekvienos saulės viduje, o šviesa ir šiluma yra jos produktai. Kai tik tai paaiškėjo, mokslininkai galvojo, kaip pakartoti tai, kas vyksta Saulės žarnyne Žemėje. Lyginant su visais žinomais energijos šaltiniais, „rankų saulė“turi nemažai neginčijamų pranašumų.

Pirma, paprastas vandenilis yra jo kuras, kurio atsargų Žemėje užteks daugeliui tūkstančių metų. Net ir atsižvelgiant į tai, kad reakcijai reikalingas ne pats įprasčiausias izotopas deuteris, stiklinės vandens užtenka savaitei aprūpinti elektrą nedideliam miesteliui. Antra, skirtingai nei deginant angliavandenilius, branduolių sintezės reakcija nesukuria toksiškų produktų – tik neutralių dujų helio.

Sintezės energijos pliusai

Beveik neribotos kuro atsargos. Branduolinės sintezės reaktoriuje vandenilio izotopai – deuteris ir tritis – veikia kaip kuras; taip pat galite naudoti izotopą helio-3. Jūros vandenyje yra daug deuterio – jį galima gauti įprastos elektrolizės būdu, o jo atsargų Pasaulio vandenyne užteks apie 300 milijonų metų esant dabartiniam žmonijos energijos poreikiui.

Gamtoje tričio daug mažiau, jis gaminamas dirbtinai branduoliniuose reaktoriuose – tačiau termobranduolinei reakcijai jo reikia labai nedaug. Žemėje helio-3 beveik nėra, tačiau Mėnulio dirvožemyje jo yra daug. Jei kada nors turėsime termobranduolinę energiją, tikriausiai bus galima nuskristi į Mėnulį kuro jai.

Jokių sprogimų. Norint sukurti ir palaikyti termobranduolinę reakciją, reikia daug energijos. Kai tik nutrūksta energijos tiekimas, reakcija sustoja, o plazma, įkaitinta iki šimtų milijonų laipsnių, nustoja egzistuoti. Todėl sintezės reaktorių sunkiau įjungti nei išjungti.

Mažas radioaktyvumas. Termobranduolinė reakcija sukuria neutronų srautą, kuris išsiskiria iš magnetinės gaudyklės ir nusėda ant vakuuminės kameros sienelių, todėl ji tampa radioaktyvi. Sukūrus specialią „antklodę“(antklodę) aplink plazmos perimetrą, lėtėjančius neutronus, galima visiškai apsaugoti erdvę aplink reaktorių. Pati antklodė laikui bėgant neišvengiamai tampa radioaktyvi, bet neilgam. Leisdami pailsėti 20-30 metų, vėl galite gauti medžiagą su natūralia fonine spinduliuote.

Nėra kuro nuotėkio. Kuro nutekėjimo rizika visada yra, tačiau branduolių sintezės reaktoriui reikia tiek mažai kuro, kad net visiškas nuotėkis nekelia grėsmės aplinkai. Pavyzdžiui, norint paleisti ITER, reikėtų tik apie 3 kg tričio ir šiek tiek daugiau deuterio. Net ir blogiausiu atveju toks radioaktyviųjų izotopų kiekis greitai išsisklaidys vandenyje ir ore ir niekam nepadarys žalos.

Jokių ginklų. Termobranduolinis reaktorius negamina medžiagų, kurias būtų galima panaudoti atominiams ginklams gaminti. Todėl nėra pavojaus, kad termobranduolinės energijos plitimas sukels branduolines lenktynes.

Kaip įžiebti „dirbtinę saulę“, bendrais bruožais, paaiškėjo jau praėjusio amžiaus šeštajame dešimtmetyje. Abiejose vandenyno pusėse buvo atlikti skaičiavimai, kurie nustatė pagrindinius kontroliuojamos branduolių sintezės reakcijos parametrus. Tai turėtų vykti milžiniškoje šimtų milijonų laipsnių temperatūroje: tokiomis sąlygomis elektronai atitrūksta nuo jų branduolių. Todėl ši reakcija dar vadinama termobranduoline sinteze. Pliki branduoliai, susidūrę vienas su kitu didžiuliu greičiu, įveikia Kulono atstūmimą ir susilieja.

Pirmasis pasaulyje tokamakas T-1
Pirmasis pasaulyje tokamakas T-1

Problemos ir sprendimai

Pirmųjų dešimtmečių entuziazmas susidūrė su neįtikėtinu užduoties sudėtingumu. Termobranduolinės sintezės paleidimas pasirodė gana lengvas – jei tai buvo padaryta sprogimo pavidalu. Ramiojo vandenyno atolai ir sovietų bandymų poligonai Semipalatinske ir Novaja Zemlijoje jau pirmąjį pokario dešimtmetį patyrė visą termobranduolinės reakcijos galią.

Tačiau panaudoti šią galią, išskyrus sunaikinimą, yra daug sunkiau nei susprogdinti termobranduolinį užtaisą. Norint panaudoti termobranduolinę energiją elektrai gaminti, reakcija turi būti vykdoma kontroliuojamai, kad energija būtų išleista mažomis porcijomis.

Kaip tai padaryti? Aplinka, kurioje vyksta termobranduolinė reakcija, vadinama plazma. Jis panašus į dujas, tik kitaip nei įprastos dujos susideda iš įkrautų dalelių. O įkrautų dalelių elgesį galima valdyti naudojant elektrinius ir magnetinius laukus.

Todėl bendriausia forma termobranduolinis reaktorius yra plazminis krešulys, įstrigęs laidininkuose ir magnetuose. Jie neleidžia plazmai ištrūkti, o kol tai daro, plazmos viduje susilieja atominiai branduoliai, dėl kurių išsiskiria energija. Šią energiją reikia pašalinti iš reaktoriaus, panaudoti aušinimo skysčiui šildyti – ir gauti elektros energijos.

Spąstai ir nutekėjimai

Paaiškėjo, kad plazma yra pati kaprizingiausia medžiaga, su kuria teko susidurti žmonėms Žemėje. Kiekvieną kartą, kai mokslininkai rasdavo būdą blokuoti vieno tipo plazmos nuotėkį, būdavo aptinkamas naujas. Visa antroji XX amžiaus pusė buvo skirta tam, kad būtų mokomasi išlaikyti plazmą reaktoriaus viduje bet kokį reikšmingą laiką. Ši problema pradėjo reikštis tik mūsų dienomis, kai pasirodė galingi kompiuteriai, kurie leido sukurti matematinius plazmos elgesio modelius.

Vis dar nėra sutarimo, kuris metodas yra geriausias plazmos izoliavimui. Garsiausias modelis – tokamakas – tai spurgos formos vakuuminė kamera (kaip sako matematikai – toras), kurios viduje ir išorėje yra plazmos gaudyklės. Šioje konfigūracijoje bus didžiausias ir brangiausias termobranduolinis įrenginys pasaulyje – šiuo metu Prancūzijos pietuose statomas ITER reaktorius.

ITER
ITER

Be tokamako, yra daug galimų termobranduolinių reaktorių konfigūracijų: sferiniai, kaip Sankt Peterburgo Globus-M, keistai išlenkti stelaratoriai (kaip Wendelstein 7-X Max Planck Branduolinės fizikos institute Vokietijoje), lazeriniai. inerciniai spąstai, tokie kaip amerikietiškas NIF. Jie sulaukia daug mažiau žiniasklaidos dėmesio nei ITER, tačiau jie taip pat turi didelių lūkesčių.

Yra mokslininkų, kurie stelaratoriaus dizainą laiko iš esmės sėkmingesniu nei tokamako: jį pastatyti pigiau, o plazmos sulaikymo laikas žada duoti kur kas daugiau. Energijos prieaugį suteikia pati plazmos gaudyklės geometrija, kuri leidžia atsikratyti parazitinio poveikio ir nuotėkių, būdingų „spurgai“. Lazerinis pumpuojamas variantas turi ir privalumų.

Juose esantis vandenilio kuras lazerio impulsais įkaitinamas iki reikiamos temperatūros, o sintezės reakcija prasideda beveik akimirksniu. Plazma tokiuose įrenginiuose yra sulaikoma iš inercijos ir neturi laiko išsibarstyti - viskas vyksta taip greitai.

Visas pasaulis

Visi šiandien pasaulyje egzistuojantys termobranduoliniai reaktoriai yra eksperimentinės mašinos. Nė vienas iš jų nenaudojamas elektrai gaminti. Dar niekam nepavyko įvykdyti pagrindinio termobranduolinės reakcijos kriterijaus (Lawsono kriterijaus): gauti daugiau energijos, nei buvo išleista reakcijai sukurti. Todėl pasaulio bendruomenė sutelkė dėmesį į milžinišką ITER projektą. Jei ITER atitiks Lawsono kriterijų, bus galima tobulinti technologiją ir bandyti ją perkelti į komercinius bėgius.

Nė viena pasaulio šalis negalėtų viena pastatyti ITER. Jam reikia vien 100 tūkstančių km superlaidžių laidų, taip pat dešimčių superlaidžių magnetų ir milžiniško centrinio solenoido plazmai laikyti, sistemos, sukuriančios aukštą vakuumą žiede, helio aušintuvų magnetams, valdiklių, elektronikos… Projektas stato 35 šalis ir vienu metu tūkstančius mokslinių institutų ir gamyklų.

ITER
ITER

Rusija yra viena iš pagrindinių projekte dalyvaujančių šalių; Rusijoje projektuojamos ir statomos 25 būsimo reaktoriaus technologinės sistemos. Tai superlaidininkai, plazmos parametrų matavimo sistemos, automatiniai valdikliai ir divertoriaus komponentai, karščiausia vidinės tokamako sienelės dalis.

Po ITER paleidimo Rusijos mokslininkai turės prieigą prie visų jo eksperimentinių duomenų. Tačiau ITER aidas bus jaučiamas ne tik moksle: dabar kai kuriuose regionuose atsirado gamybos įrenginių, kurių anksčiau Rusijoje nebuvo. Pavyzdžiui, iki projekto pradžios mūsų šalyje nebuvo pramoninės superlaidžių medžiagų gamybos, o visame pasaulyje buvo pagaminama tik 15 tonų per metus. Dabar tik valstybinės korporacijos „Rosatom“Čepetsko mechanikos gamykloje per metus galima pagaminti 60 tonų.

Energijos ateitis ir ne tik

Pirmąją plazmą ITER planuojama gauti 2025 m. Visas pasaulis laukia šio įvykio. Tačiau viena, net pati galingiausia, mašina – dar ne viskas. Visame pasaulyje ir Rusijoje jie toliau stato naujus termobranduolinius reaktorius, kurie padės pagaliau suprasti plazmos elgseną ir rasti geriausią jos panaudojimo būdą.

Jau 2020 metų pabaigoje Kurchatovo institutas ketina paleisti naują tokamaką T-15MD, kuris taps hibridinio įrenginio su branduoliniais ir termobranduoliniais elementais dalimi. Termobranduolinės reakcijos zonoje susidarantys neutronai hibridiniame įrenginyje bus naudojami sunkiųjų branduolių – urano ir torio – dalijimuisi inicijuoti. Ateityje iš tokių hibridinių mašinų bus galima gaminti kurą įprastiems branduoliniams reaktoriams – tiek šiluminiams, tiek greitiesiems neutronams.

Torio išgelbėjimas

Ypač viliojanti yra perspektyva panaudoti termobranduolinį „brandulį“kaip neutronų šaltinį, kad būtų inicijuotas skilimas torio branduoliuose. Torio planetoje yra daugiau nei urano, o jo naudojimas kaip branduolinis kuras išsprendžia kelias šiuolaikinės branduolinės energetikos problemas vienu metu.

Taigi torio skilimo produktai negali būti naudojami karinėms radioaktyviosioms medžiagoms gaminti. Tokio naudojimo galimybė yra politinis veiksnys, neleidžiantis mažoms šalims vystyti savo branduolinės energijos. Torio kuras išsprendžia šią problemą kartą ir visiems laikams.

Plazminiai spąstai gali būti naudingi ne tik energetikoje, bet ir kitose taikiose pramonės šakose – net kosmose. Dabar „Rosatom“ir Kurchatovo institutas kuria beelektrodinio plazminio raketinio variklio komponentus erdvėlaiviams ir medžiagų plazminio modifikavimo sistemas. Rusijos dalyvavimas ITER projekte skatina pramonę, o tai lemia naujų pramonės šakų kūrimąsi, kurios jau yra naujos Rusijos plėtros pagrindas.

Rekomenduojamas: