Πίνακας περιεχομένων:

Έχει μέλλον η θερμοπυρηνική ενέργεια;
Έχει μέλλον η θερμοπυρηνική ενέργεια;

Βίντεο: Έχει μέλλον η θερμοπυρηνική ενέργεια;

Βίντεο: Έχει μέλλον η θερμοπυρηνική ενέργεια;
Βίντεο: Τεχνητή Νοημοσύνη. Όσα Δεν Ξέρετε Για Το Μέλλον Σας 2024, Μάρτιος
Anonim

Για περισσότερο από μισό αιώνα, οι επιστήμονες προσπαθούν να κατασκευάσουν μια μηχανή στη Γη, στην οποία, όπως στα έγκατα των αστεριών, λαμβάνει χώρα μια θερμοπυρηνική αντίδραση. Η τεχνολογία της ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης υπόσχεται στην ανθρωπότητα μια σχεδόν ανεξάντλητη πηγή καθαρής ενέργειας. Σοβιετικοί επιστήμονες ήταν στην αρχή αυτής της τεχνολογίας - και τώρα η Ρωσία βοηθά στην κατασκευή του μεγαλύτερου αντιδραστήρα σύντηξης στον κόσμο.

Τα μέρη του πυρήνα ενός ατόμου συγκρατούνται μεταξύ τους με μια κολοσσιαία δύναμη. Υπάρχουν δύο τρόποι απελευθέρωσης. Η πρώτη μέθοδος είναι η χρήση της ενέργειας σχάσης μεγάλων βαρέων πυρήνων από το πιο απομακρυσμένο άκρο του περιοδικού πίνακα: ουράνιο, πλουτώνιο. Σε όλους τους πυρηνικούς σταθμούς στη Γη, η πηγή ενέργειας είναι ακριβώς η αποσύνθεση των βαρέων πυρήνων.

Υπάρχει όμως και ένας δεύτερος τρόπος για να απελευθερωθεί η ενέργεια του ατόμου: όχι να διαιρεθεί, αλλά, αντίθετα, να συνδυαστούν οι πυρήνες. Κατά τη συγχώνευση, μερικά από αυτά απελευθερώνουν ακόμη περισσότερη ενέργεια από τους σχάσιμους πυρήνες ουρανίου. Όσο πιο ελαφρύς είναι ο πυρήνας, τόσο περισσότερη ενέργεια θα απελευθερωθεί κατά τη σύντηξη (όπως λένε, σύντηξη), επομένως ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για να αποκτήσετε την ενέργεια της πυρηνικής σύντηξης είναι να αναγκάσετε τους πυρήνες του ελαφρύτερου στοιχείου - το υδρογόνο - και τα ισότοπά του να συγχωνευθούν.

Αστέρι χεριών: σταθερά πλεονεκτήματα

Η πυρηνική σύντηξη ανακαλύφθηκε τη δεκαετία του 1930 με τη μελέτη των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό των αστεριών. Αποδείχθηκε ότι αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης λαμβάνουν χώρα μέσα σε κάθε ήλιο και το φως και η θερμότητα είναι προϊόντα του. Μόλις αυτό έγινε σαφές, οι επιστήμονες σκέφτηκαν πώς να επαναλάβουν αυτό που συμβαίνει στα έγκατα του Ήλιου στη Γη. Σε σύγκριση με όλες τις γνωστές πηγές ενέργειας, ο «ήλιος του χεριού» έχει μια σειρά από αδιαμφισβήτητα πλεονεκτήματα.

Πρώτον, το συνηθισμένο υδρογόνο χρησιμεύει ως καύσιμο του, τα αποθέματα του οποίου στη Γη θα διαρκέσουν για πολλές χιλιάδες χρόνια. Ακόμη και αν ληφθεί υπόψη το γεγονός ότι η αντίδραση δεν απαιτεί το πιο κοινό ισότοπο, το δευτέριο, ένα ποτήρι νερό είναι αρκετό για να τροφοδοτήσει μια μικρή πόλη με ηλεκτρισμό για μια εβδομάδα. Δεύτερον, σε αντίθεση με την καύση υδρογονανθράκων, η αντίδραση πυρηνικής σύντηξης δεν παράγει τοξικά προϊόντα - μόνο το ουδέτερο αέριο ήλιο.

Πλεονεκτήματα της ενέργειας σύντηξης

Σχεδόν απεριόριστες προμήθειες καυσίμων. Σε έναν αντιδραστήρα σύντηξης, τα ισότοπα υδρογόνου -δευτέριο και τρίτιο- λειτουργούν ως καύσιμο. μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε το ισότοπο ήλιο-3. Υπάρχει πολύ δευτέριο στο θαλασσινό νερό - μπορεί να ληφθεί με συμβατική ηλεκτρόλυση και τα αποθέματά του στον Παγκόσμιο Ωκεανό θα διαρκέσουν για περίπου 300 εκατομμύρια χρόνια με την τρέχουσα ζήτηση της ανθρωπότητας για ενέργεια.

Υπάρχει πολύ λιγότερο τρίτιο στη φύση, παράγεται τεχνητά σε πυρηνικούς αντιδραστήρες - αλλά πολύ λίγα χρειάζονται για μια θερμοπυρηνική αντίδραση. Δεν υπάρχει σχεδόν ήλιο-3 στη Γη, αλλά υπάρχει πολύ στο σεληνιακό έδαφος. Εάν κάποια μέρα έχουμε θερμοπυρηνική ισχύ, πιθανότατα θα είναι δυνατό να πετάξουμε στο φεγγάρι για καύσιμα για αυτήν.

Όχι εκρήξεις. Χρειάζεται πολλή ενέργεια για να δημιουργηθεί και να διατηρηθεί μια θερμοπυρηνική αντίδραση. Μόλις σταματήσει η παροχή ενέργειας, η αντίδραση σταματά και το πλάσμα που θερμαίνεται στους εκατοντάδες εκατομμύρια βαθμούς παύει να υπάρχει. Επομένως, ένας αντιδραστήρας σύντηξης είναι πιο δύσκολο να ενεργοποιηθεί παρά να απενεργοποιηθεί.

Χαμηλή ραδιενέργεια. Μια θερμοπυρηνική αντίδραση παράγει μια ροή νετρονίων που εκπέμπονται από τη μαγνητική παγίδα και εναποτίθενται στα τοιχώματα του θαλάμου κενού, καθιστώντας τον ραδιενεργό. Δημιουργώντας μια ειδική «κουβέρτα» (κουβέρτα) γύρω από την περίμετρο του πλάσματος, επιβραδύνοντας τα νετρόνια, είναι δυνατή η πλήρης προστασία του χώρου γύρω από τον αντιδραστήρα. Η ίδια η κουβέρτα γίνεται αναπόφευκτα ραδιενεργή με την πάροδο του χρόνου, αλλά όχι για πολύ. Αφήνοντας το να ξεκουραστεί για 20-30 χρόνια, μπορείτε και πάλι να πάρετε υλικό με φυσική ακτινοβολία φόντου.

Καμία διαρροή καυσίμου. Υπάρχει πάντα κίνδυνος διαρροής καυσίμου, αλλά ένας αντιδραστήρας σύντηξης απαιτεί τόσο λίγα καύσιμα που ακόμη και μια πλήρης διαρροή δεν απειλεί το περιβάλλον. Η εκτόξευση του ITER, για παράδειγμα, θα απαιτούσε μόνο περίπου 3 κιλά τριτίου και λίγο περισσότερο δευτέριο. Ακόμη και στο χειρότερο σενάριο, αυτή η ποσότητα ραδιενεργών ισοτόπων θα διαλυθεί γρήγορα στο νερό και τον αέρα και δεν θα προκαλέσει βλάβη σε κανέναν.

Όχι όπλα. Ένας θερμοπυρηνικός αντιδραστήρας δεν παράγει ουσίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή ατομικών όπλων. Επομένως, δεν υπάρχει κίνδυνος η εξάπλωση της θερμοπυρηνικής ενέργειας να οδηγήσει σε πυρηνική κούρσα.

Πώς να φωτίσετε τον "τεχνητό ήλιο", σε γενικές γραμμές, έγινε σαφές ήδη από τη δεκαετία του πενήντα του περασμένου αιώνα. Και στις δύο πλευρές του ωκεανού, έγιναν υπολογισμοί που έθεσαν τις κύριες παραμέτρους μιας ελεγχόμενης αντίδρασης πυρηνικής σύντηξης. Θα πρέπει να λάβει χώρα σε μια τεράστια θερμοκρασία εκατοντάδων εκατομμυρίων βαθμών: κάτω από τέτοιες συνθήκες, τα ηλεκτρόνια αποκόπτονται από τους πυρήνες τους. Επομένως, αυτή η αντίδραση ονομάζεται επίσης θερμοπυρηνική σύντηξη. Οι γυμνοί πυρήνες, που συγκρούονται μεταξύ τους με ιλιγγιώδεις ταχύτητες, ξεπερνούν την απώθηση του Κουλόμπ και συγχωνεύονται.

Το πρώτο tokamak T-1 στον κόσμο
Το πρώτο tokamak T-1 στον κόσμο

Προβλήματα και λύσεις

Ο ενθουσιασμός των πρώτων δεκαετιών συνετρίβη στην απίστευτη πολυπλοκότητα του έργου. Η εκτόξευση της θερμοπυρηνικής σύντηξης αποδείχθηκε σχετικά εύκολη - εάν γίνει με τη μορφή έκρηξης. Οι ατόλλες του Ειρηνικού και οι σοβιετικές τοποθεσίες δοκιμών στο Semipalatinsk και στη Novaya Zemlya γνώρισαν την πλήρη ισχύ μιας θερμοπυρηνικής αντίδρασης ήδη από την πρώτη μεταπολεμική δεκαετία.

Αλλά η χρήση αυτής της ισχύος, εκτός από την καταστροφή, είναι πολύ πιο δύσκολη από την έκρηξη ενός θερμοπυρηνικού φορτίου. Για να χρησιμοποιηθεί η θερμοπυρηνική ενέργεια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, η αντίδραση πρέπει να διεξάγεται με ελεγχόμενο τρόπο, ώστε η ενέργεια να απελευθερώνεται σε μικρές μερίδες.

Πως να το κάνεις? Το περιβάλλον στο οποίο λαμβάνει χώρα μια θερμοπυρηνική αντίδραση ονομάζεται πλάσμα. Είναι παρόμοιο με το αέριο, μόνο σε αντίθεση με το κανονικό αέριο αποτελείται από φορτισμένα σωματίδια. Και η συμπεριφορά των φορτισμένων σωματιδίων μπορεί να ελεγχθεί χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία.

Επομένως, στην πιο γενική του μορφή, ένας θερμοπυρηνικός αντιδραστήρας είναι ένας θρόμβος πλάσματος παγιδευμένος σε αγωγούς και μαγνήτες. Αποτρέπουν τη διαφυγή του πλάσματος και ενώ το κάνουν αυτό, οι ατομικοί πυρήνες συγχωνεύονται μέσα στο πλάσμα, με αποτέλεσμα να απελευθερώνεται ενέργεια. Αυτή η ενέργεια πρέπει να αφαιρεθεί από τον αντιδραστήρα, να χρησιμοποιηθεί για τη θέρμανση του ψυκτικού υγρού - και πρέπει να ληφθεί ηλεκτρική ενέργεια.

Παγίδες και διαρροές

Το πλάσμα αποδείχθηκε ότι ήταν η πιο ιδιότροπη ουσία που έπρεπε να αντιμετωπίσουν οι άνθρωποι στη Γη. Κάθε φορά που οι επιστήμονες έβρισκαν έναν τρόπο να εμποδίσουν έναν τύπο διαρροής πλάσματος, ανακάλυπταν ένας νέος. Όλο το δεύτερο μισό του 20ου αιώνα αφιερώθηκε στο να μάθουμε να κρατάμε το πλάσμα μέσα στον αντιδραστήρα για οποιοδήποτε σημαντικό χρονικό διάστημα. Αυτό το πρόβλημα άρχισε να εμφανίζεται μόνο στις μέρες μας, όταν εμφανίστηκαν ισχυροί υπολογιστές που κατέστησαν δυνατή τη δημιουργία μαθηματικών μοντέλων συμπεριφοράς πλάσματος.

Δεν υπάρχει ακόμη συναίνεση ως προς το ποια μέθοδος είναι η καλύτερη για τον περιορισμό του πλάσματος. Το πιο διάσημο μοντέλο, το tokamak, είναι ένας θάλαμος κενού σε σχήμα ντόνατ (όπως λένε οι μαθηματικοί, ένας τόρος) με παγίδες πλάσματος μέσα και έξω. Αυτή η διαμόρφωση θα έχει τη μεγαλύτερη και πιο ακριβή θερμοπυρηνική εγκατάσταση στον κόσμο - τον αντιδραστήρα ITER που κατασκευάζεται αυτή τη στιγμή στη νότια Γαλλία.

ITER
ITER

Εκτός από το tokamak, υπάρχουν πολλές πιθανές διαμορφώσεις θερμοπυρηνικών αντιδραστήρων: σφαιρικοί, όπως στον Globus-M της Αγίας Πετρούπολης, περίεργα καμπυλωτοί αστεριστές (όπως ο Wendelstein 7-X στο Max Planck Institute of Nuclear Physics στη Γερμανία), λέιζερ αδρανειακές παγίδες, όπως το αμερικανικό NIF. Λαμβάνουν πολύ λιγότερη προσοχή από τα μέσα ενημέρωσης από το ITER, αλλά έχουν επίσης υψηλές προσδοκίες.

Υπάρχουν επιστήμονες που θεωρούν ότι ο σχεδιασμός του stellarator είναι θεμελιωδώς πιο επιτυχημένος από το tokamak: είναι φθηνότερο στην κατασκευή του και ο χρόνος περιορισμού του πλάσματος υπόσχεται να δώσει πολύ περισσότερα. Το κέρδος σε ενέργεια παρέχεται από τη γεωμετρία της ίδιας της παγίδας πλάσματος, η οποία επιτρέπει σε κάποιον να απαλλαγεί από τις παρασιτικές επιδράσεις και τις διαρροές που είναι εγγενείς στο «ντόνατ». Η έκδοση με αντλία λέιζερ έχει επίσης τα πλεονεκτήματά της.

Το καύσιμο υδρογόνου σε αυτά θερμαίνεται στην απαιτούμενη θερμοκρασία με παλμούς λέιζερ και η αντίδραση σύντηξης ξεκινά σχεδόν αμέσως. Το πλάσμα σε τέτοιες εγκαταστάσεις συγκρατείται με αδράνεια και δεν έχει χρόνο να διασκορπιστεί - όλα συμβαίνουν τόσο γρήγορα.

Ολος ο κόσμος

Όλοι οι θερμοπυρηνικοί αντιδραστήρες που υπάρχουν σήμερα στον κόσμο είναι πειραματικές μηχανές. Κανένα από αυτά δεν χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Κανένας δεν έχει επιτύχει ακόμη να εκπληρώσει το κύριο κριτήριο για μια θερμοπυρηνική αντίδραση (κριτήριο του Lawson): να πάρει περισσότερη ενέργεια από αυτή που ξοδεύτηκε για τη δημιουργία της αντίδρασης. Ως εκ τούτου, η παγκόσμια κοινότητα έχει επικεντρωθεί στο γιγάντιο έργο ITER. Εάν το κριτήριο Lawson πληρούται στο ITER, θα είναι δυνατή η βελτίωση της τεχνολογίας και η προσπάθεια μεταφοράς της σε εμπορικούς σιδηροδρόμους.

Καμία χώρα στον κόσμο δεν θα μπορούσε να κατασκευάσει μόνη της τον ITER. Χρειάζεται μόνο 100 χιλιάδες χιλιόμετρα υπεραγώγιμων καλωδίων, καθώς επίσης δεκάδες υπεραγώγιμους μαγνήτες και μια γιγάντια κεντρική ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα για τη συγκράτηση του πλάσματος, ένα σύστημα δημιουργίας υψηλού κενού σε έναν δακτύλιο, ψύκτες ηλίου για μαγνήτες, ελεγκτές, ηλεκτρονικά… έργο χτίζει 35 χώρες και ταυτόχρονα χιλιάδες επιστημονικά ιδρύματα και εργοστάσια.

ITER
ITER

Η Ρωσία είναι μία από τις κύριες χώρες που συμμετέχουν στο έργο. στη Ρωσία σχεδιάζονται και κατασκευάζονται 25 τεχνολογικά συστήματα του μελλοντικού αντιδραστήρα. Πρόκειται για υπεραγωγούς, συστήματα μέτρησης παραμέτρων πλάσματος, αυτόματους ελεγκτές και εξαρτήματα του εκτροπέα, το πιο καυτό τμήμα του εσωτερικού τοιχώματος του tokamak.

Μετά την εκτόξευση του ITER, οι Ρώσοι επιστήμονες θα έχουν πρόσβαση σε όλα τα πειραματικά του δεδομένα. Ωστόσο, ο απόηχος του ITER θα γίνει αισθητός όχι μόνο στην επιστήμη: τώρα σε ορισμένες περιοχές έχουν εμφανιστεί εγκαταστάσεις παραγωγής, οι οποίες στη Ρωσία δεν υπήρχαν πριν. Για παράδειγμα, πριν από την έναρξη του έργου δεν υπήρχε βιομηχανική παραγωγή υπεραγώγιμων υλικών στη χώρα μας και παράγονταν μόνο 15 τόνοι ετησίως σε όλο τον κόσμο. Τώρα, μόνο στο μηχανολογικό εργοστάσιο Chepetsk της κρατικής εταιρείας "Rosatom" είναι δυνατή η παραγωγή 60 τόνων ετησίως.

Το μέλλον της ενέργειας και όχι μόνο

Το πρώτο πλάσμα στο ITER σχεδιάζεται να παραληφθεί το 2025. Όλος ο κόσμος περιμένει αυτό το γεγονός. Αλλά ένα, ακόμα και το πιο ισχυρό, μηχάνημα δεν είναι το μόνο. Σε όλο τον κόσμο και στη Ρωσία, συνεχίζουν να κατασκευάζουν νέους θερμοπυρηνικούς αντιδραστήρες, οι οποίοι θα βοηθήσουν να κατανοήσουμε επιτέλους τη συμπεριφορά του πλάσματος και να βρούμε τον καλύτερο τρόπο χρήσης του.

Ήδη στα τέλη του 2020, το Ινστιτούτο Kurchatov πρόκειται να ξεκινήσει ένα νέο tokamak T-15MD, το οποίο θα γίνει μέρος μιας υβριδικής εγκατάστασης με πυρηνικά και θερμοπυρηνικά στοιχεία. Τα νετρόνια, που σχηματίζονται στη ζώνη θερμοπυρηνικής αντίδρασης, στην υβριδική εγκατάσταση θα χρησιμοποιηθούν για την έναρξη της σχάσης βαρέων πυρήνων - ουρανίου και θορίου. Στο μέλλον, τέτοιες υβριδικές μηχανές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή καυσίμων για συμβατικούς πυρηνικούς αντιδραστήρες - τόσο θερμικά όσο και γρήγορα νετρόνια.

Θόριο σωτηρία

Ιδιαίτερα δελεαστική είναι η προοπτική χρήσης ενός θερμοπυρηνικού «πυρήνα» ως πηγής νετρονίων για την έναρξη της διάσπασης στους πυρήνες του θορίου. Υπάρχει περισσότερο θόριο στον πλανήτη από ουράνιο και η χρήση του ως πυρηνικό καύσιμο λύνει πολλά προβλήματα της σύγχρονης πυρηνικής ενέργειας ταυτόχρονα.

Έτσι, τα προϊόντα διάσπασης του θορίου δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή στρατιωτικών ραδιενεργών υλικών. Η δυνατότητα μιας τέτοιας χρήσης χρησιμεύει ως πολιτικός παράγοντας που εμποδίζει τις μικρές χώρες να αναπτύξουν τη δική τους πυρηνική ενέργεια. Το καύσιμο θορίου λύνει αυτό το πρόβλημα μια για πάντα.

Οι παγίδες πλάσματος μπορούν να είναι χρήσιμες όχι μόνο στην ενέργεια, αλλά και σε άλλες ειρηνικές βιομηχανίες - ακόμη και στο διάστημα. Τώρα η Rosatom και το Ινστιτούτο Kurchatov εργάζονται σε εξαρτήματα για μια μηχανή πυραύλων πλάσματος χωρίς ηλεκτρόδια για διαστημόπλοια και συστήματα για την τροποποίηση υλικών πλάσματος. Η συμμετοχή της Ρωσίας στο έργο ITER δίνει ώθηση στη βιομηχανία, η οποία οδηγεί στη δημιουργία νέων βιομηχανιών, οι οποίες ήδη αποτελούν τη βάση για νέες ρωσικές εξελίξεις.

Συνιστάται: