Cuprins:

Energia termonucleara are viitor?
Energia termonucleara are viitor?

Video: Energia termonucleara are viitor?

Video: Energia termonucleara are viitor?
Video: NASA angajează preoți care vor pregăti oamenii pentru contactul cu extratereștrii 2024, Martie
Anonim

De mai bine de jumătate de secol, oamenii de știință încearcă să construiască pe Pământ o mașinărie, în care, ca în intestinele stelelor, are loc o reacție termonucleară. Tehnologia fuziunii termonucleare controlate promite omenirii o sursă aproape inepuizabilă de energie curată. Oamenii de știință sovietici au fost la originea acestei tehnologii - iar acum Rusia ajută la construirea celui mai mare reactor de fuziune din lume.

Părțile nucleului unui atom sunt ținute împreună printr-o forță colosală. Există două moduri de a-l elibera. Prima metodă este folosirea energiei de fisiune a nucleelor grele mari de la capătul cel mai îndepărtat al tabelului periodic: uraniu, plutoniu. La toate centralele nucleare de pe Pământ, sursa de energie este tocmai degradarea nucleelor grele.

Dar există și o a doua modalitate de a elibera energia atomului: nu de a împărți, ci, dimpotrivă, de a combina nucleele. La fuziune, unele dintre ele eliberează chiar mai multă energie decât nucleele de uraniu fisionabile. Cu cât nucleul este mai ușor, cu atât mai multă energie va fi eliberată în timpul fuziunii (cum se spune, fuziunea), așa că cea mai eficientă modalitate de a obține energia fuziunii nucleare este de a forța nucleele celui mai ușor element - hidrogenul - și izotopii săi să fuzioneze..

Steaua de mână: profesioniști solidi

Fuziunea nucleară a fost descoperită în anii 1930 prin studierea proceselor care au loc în interiorul stelelor. S-a dovedit că reacțiile de fuziune nucleară au loc în interiorul fiecărui soare, iar lumina și căldura sunt produsele sale. De îndată ce acest lucru a devenit clar, oamenii de știință s-au gândit cum să repete ceea ce se întâmplă în intestinele Soarelui de pe Pământ. În comparație cu toate sursele de energie cunoscute, „soarele de mână” are o serie de avantaje incontestabile.

În primul rând, hidrogenul obișnuit îi servește drept combustibil, ale cărui rezerve pe Pământ vor dura multe mii de ani. Chiar și ținând cont de faptul că reacția nu necesită cel mai comun izotop, deuteriu, un pahar cu apă este suficient pentru a alimenta un orășel cu energie electrică timp de o săptămână. În al doilea rând, spre deosebire de arderea hidrocarburilor, reacția de fuziune nucleară nu produce produse toxice - doar gazul neutru heliu.

Avantajele energiei de fuziune

Rezerve de combustibil aproape nelimitate. Într-un reactor de fuziune, izotopii de hidrogen - deuteriu și tritiu - funcționează ca combustibil; puteți folosi și izotopul heliu-3. Există mult deuteriu în apa de mare - poate fi obținut prin electroliză convențională, iar rezervele sale din Oceanul Mondial vor dura aproximativ 300 de milioane de ani la cererea actuală a omenirii pentru energie.

Există mult mai puțin tritiu în natură, acesta este produs artificial în reactoare nucleare - dar este nevoie de foarte puțin pentru o reacție termonucleară. Aproape că nu există heliu-3 pe Pământ, dar există mult în solul lunar. Dacă într-o zi vom avea putere termonucleară, probabil că va fi posibil să zburăm pe Lună pentru combustibil pentru aceasta.

Fără explozii. Este nevoie de multă energie pentru a crea și menține o reacție termonucleară. De îndată ce alimentarea cu energie se oprește, reacția se oprește, iar plasma încălzită la sute de milioane de grade încetează să mai existe. Prin urmare, un reactor de fuziune este mai greu de pornit decât de oprit.

Radioactivitate scăzută. O reacție termonucleară produce un flux de neutroni care sunt emiși din capcana magnetică și se depun pe pereții camerei cu vid, făcându-l radioactiv. Prin crearea unei „pături” (pături) speciale în jurul perimetrului plasmei, decelerând neutronii, este posibil să se protejeze complet spațiul din jurul reactorului. Pătura în sine devine inevitabil radioactivă în timp, dar nu pentru mult timp. Lăsându-l să se odihnească timp de 20-30 de ani, puteți obține din nou material cu o radiație naturală de fond.

Fără scurgeri de combustibil. Există întotdeauna riscul de scurgere de combustibil, dar un reactor de fuziune necesită atât de puțin combustibil încât nici măcar o scurgere completă nu amenință mediul. Lansarea ITER, de exemplu, ar necesita doar aproximativ 3 kg de tritiu și puțin mai mult deuteriu. Chiar și în cel mai rău caz, această cantitate de izotopi radioactivi se va disipa rapid în apă și aer și nu va face rău nimănui.

Fără arme. Un reactor termonuclear nu produce substanțe care pot fi folosite pentru a face arme atomice. Prin urmare, nu există niciun pericol ca răspândirea energiei termonucleare să ducă la o cursă nucleară.

Cum să iluminați „soarele artificial”, în termeni generali, a devenit clar deja în anii cincizeci ai secolului trecut. Pe ambele maluri ale oceanului, au fost efectuate calcule care au stabilit principalii parametri ai unei reacții de fuziune nucleară controlată. Ar trebui să aibă loc la o temperatură enormă de sute de milioane de grade: în astfel de condiții, electronii sunt smulși din nucleele lor. Prin urmare, această reacție este numită și fuziune termonucleară. Nucleele goale, ciocnind între ele la viteze vertiginoase, înving repulsia coulombiană și se contopesc.

Primul tokamak T-1 din lume
Primul tokamak T-1 din lume

Probleme și soluții

Entuziasmul primelor decenii s-a prăbușit în incredibila complexitate a sarcinii. Lansarea fuziunii termonucleare s-a dovedit a fi relativ ușoară - dacă se face sub forma unei explozii. Atolii din Pacific și site-urile de testare sovietice din Semipalatinsk și Novaia Zemlya au experimentat întreaga putere a unei reacții termonucleare deja în primul deceniu postbelic.

Dar folosirea acestei puteri, cu excepția distrugerii, este mult mai dificilă decât detonarea unei sarcini termonucleare. Pentru a utiliza energia termonucleară pentru a genera electricitate, reacția trebuie efectuată într-o manieră controlată, astfel încât energia să fie eliberată în porțiuni mici.

Cum să o facă? Mediul în care are loc o reacție termonucleară se numește plasmă. Este similar cu gazul, doar că, spre deosebire de gazul normal, este format din particule încărcate. Iar comportamentul particulelor încărcate poate fi controlat folosind câmpuri electrice și magnetice.

Prin urmare, în forma sa cea mai generală, un reactor termonuclear este un cheag de plasmă prins în conductori și magneți. Ele împiedică scăparea plasmei și, în timp ce fac acest lucru, nucleele atomice fuzionează în interiorul plasmei, în urma cărora este eliberată energie. Această energie trebuie îndepărtată din reactor, folosită pentru încălzirea lichidului de răcire - și trebuie obținută electricitate.

Capcane și scurgeri

Plasma s-a dovedit a fi cea mai capricioasă substanță cu care oamenii de pe Pământ au trebuit să se confrunte. De fiecare dată când oamenii de știință au găsit o modalitate de a bloca un tip de scurgere de plasmă, a fost descoperită una nouă. Întreaga a doua jumătate a secolului al XX-lea a fost petrecută pentru a învăța să păstreze plasma în interiorul reactorului pentru o perioadă semnificativă de timp. Această problemă a început să cedeze abia în zilele noastre, când au apărut computere puternice care au făcut posibilă crearea unor modele matematice ale comportamentului plasmei.

Încă nu există un consens cu privire la care metodă este cea mai bună pentru izolare cu plasmă. Cel mai faimos model, tokamak, este o cameră cu vid în formă de gogoașă (cum spun matematicienii, un tor) cu capcane cu plasmă în interior și în exterior. Această configurație va avea cea mai mare și mai scumpă instalație termonucleară din lume - reactorul ITER aflat în construcție în prezent în sudul Franței.

ITER
ITER

Pe lângă tokamak, există multe configurații posibile ale reactoarelor termonucleare: sferice, ca la Globus-M din Sankt Petersburg, stelare curbate bizar (cum ar fi Wendelstein 7-X de la Institutul de Fizică Nucleară Max Planck din Germania), laser capcane inerțiale, cum ar fi NIF-ul american. Aceștia primesc mult mai puțină atenție mediatică decât ITER, dar au și așteptări mari.

Există oameni de știință care consideră că proiectarea stellaratorului este fundamental mai de succes decât tokamak: este mai ieftin de construit, iar timpul de izolare a plasmei promite să ofere mult mai mult. Câștigul de energie este asigurat de geometria capcanei cu plasmă în sine, care permite scăparea de efectele parazitare și scurgerile inerente „gogoșii”. Versiunea pompată cu laser are și avantajele sale.

Combustibilul cu hidrogen din ele este încălzit la temperatura necesară prin impulsuri laser, iar reacția de fuziune începe aproape instantaneu. Plasma din astfel de instalații este ținută de inerție și nu are timp să se împrăștie - totul se întâmplă atât de repede.

Intreaga lume

Toate reactoarele termonucleare existente astăzi în lume sunt mașini experimentale. Niciuna dintre ele nu este folosită pentru a produce energie electrică. Niciunul nu a reușit încă să îndeplinească principalul criteriu pentru o reacție termonucleară (criteriul Lawson): să obțină mai multă energie decât a fost cheltuită pentru crearea reacției. Prin urmare, comunitatea mondială s-a concentrat asupra giganticului proiect ITER. Dacă criteriul Lawson este îndeplinit la ITER, va fi posibil să se perfecționeze tehnologia și să încerce să o transfere pe șinele comerciale.

Nicio țară din lume nu ar putea construi ITER singură. Are nevoie doar de 100 de mii de km de fire supraconductoare și, de asemenea, zeci de magneți supraconductori și un solenoid central uriaș pentru păstrarea plasmei, un sistem pentru crearea unui vid ridicat într-un inel, răcitoare cu heliu pentru magneți, controlere, electronice … Prin urmare, proiectul construiește 35 de țări și mai multe simultan mii de institute și fabrici științifice.

ITER
ITER

Rusia este una dintre principalele țări participante la proiect; în Rusia sunt proiectate și construite 25 de sisteme tehnologice ale viitorului reactor. Acestea sunt supraconductori, sisteme de măsurare a parametrilor plasmei, controlere automate și componente ale divertorului, cea mai fierbinte parte a peretelui interior al tokamak-ului.

După lansarea ITER, oamenii de știință ruși vor avea acces la toate datele sale experimentale. Cu toate acestea, ecoul ITER va fi simțit nu numai în știință: acum, în unele regiuni au apărut instalații de producție, care în Rusia nu existau înainte. De exemplu, înainte de începerea proiectului, în țara noastră nu exista producție industrială de materiale supraconductoare, iar în întreaga lume se produceau doar 15 tone pe an. Acum, numai la Uzina Mecanică Chepetsk a corporației de stat „Rosatom” este posibil să se producă 60 de tone pe an.

Viitorul energiei și nu numai

Prima plasmă de la ITER este planificată să fie primită în 2025. Întreaga lume așteaptă acest eveniment. Dar una, chiar și cea mai puternică mașină, nu este totul. Peste tot în lume și în Rusia, ei continuă să construiască noi reactoare termonucleare, care vor ajuta la înțelegerea în sfârșit a comportamentului plasmei și la găsirea celei mai bune modalități de utilizare a acesteia.

Deja la sfârșitul anului 2020, Institutul Kurchatov urmează să lanseze un nou tokamak T-15MD, care va deveni parte a unei instalații hibride cu elemente nucleare și termonucleare. Neutronii, care se formează în zona de reacție termonucleară, în instalația hibridă vor fi folosiți pentru inițierea fisiunii nucleelor grele - uraniu și toriu. În viitor, astfel de mașini hibride pot fi folosite pentru a produce combustibil pentru reactoare nucleare convenționale - atât neutroni termici, cât și rapid.

Mântuirea cu toriu

Mai ales tentantă este perspectiva utilizării unui „nucleu” termonuclear ca sursă de neutroni pentru a iniția dezintegrarea nucleelor de toriu. Există mai mult toriu pe planetă decât uraniu, iar utilizarea lui ca combustibil nuclear rezolvă simultan mai multe probleme ale energiei nucleare moderne.

Astfel, produșii de descompunere ai toriului nu pot fi utilizați pentru a produce materiale radioactive militare. Posibilitatea unei astfel de utilizări servește ca un factor politic care împiedică țările mici să își dezvolte propria energie nucleară. Combustibilul cu toriu rezolvă această problemă o dată pentru totdeauna.

Capcanele cu plasmă pot fi utile nu numai în energie, ci și în alte industrii pașnice - chiar și în spațiu. Acum, Rosatom și Institutul Kurchatov lucrează la componente pentru un motor de rachetă cu plasmă fără electrozi pentru nave spațiale și sisteme pentru modificarea materialelor cu plasmă. Participarea Rusiei la proiectul ITER stimulează industria, ceea ce duce la crearea de noi industrii, care formează deja baza pentru noile dezvoltări rusești.

Recomandat: