Talaan ng mga Nilalaman:

May kinabukasan ba ang thermonuclear energy?
May kinabukasan ba ang thermonuclear energy?

Video: May kinabukasan ba ang thermonuclear energy?

Video: May kinabukasan ba ang thermonuclear energy?
Video: Sila ang uubos sa mga Tao! Ito ang TIMELAPSE ng Artificial inteligence! (2025-3000) 2024, Marso
Anonim

Sa loob ng higit sa kalahating siglo, sinusubukan ng mga siyentipiko na bumuo ng isang makina sa Earth, kung saan, tulad ng sa bituka ng mga bituin, isang thermonuclear reaction ang nagaganap. Ang teknolohiya ng kinokontrol na thermonuclear fusion ay nangangako sa sangkatauhan ng halos hindi mauubos na mapagkukunan ng malinis na enerhiya. Ang mga siyentipikong Sobyet ang pinagmulan ng teknolohiyang ito - at ngayon ay tumutulong ang Russia na bumuo ng pinakamalaking fusion reactor sa mundo.

Ang mga bahagi ng nucleus ng isang atom ay pinagsasama-sama ng isang napakalaking puwersa. Mayroong dalawang paraan upang palabasin ito. Ang unang paraan ay ang paggamit ng fission energy ng malalaking heavy nuclei mula sa pinakamalayong dulo ng periodic table: uranium, plutonium. Sa lahat ng mga nuclear power plant sa Earth, ang pinagmumulan ng enerhiya ay tiyak na pagkabulok ng mabibigat na nuclei.

Ngunit mayroon ding pangalawang paraan upang palabasin ang enerhiya ng atom: hindi upang hatiin, ngunit, sa kabaligtaran, upang pagsamahin ang nuclei. Kapag nagsasama, ang ilan sa kanila ay naglalabas ng mas maraming enerhiya kaysa sa fissile uranium nuclei. Kung mas magaan ang nucleus, mas maraming enerhiya ang ilalabas sa panahon ng pagsasanib (tulad ng sinasabi nila, pagsasanib), kaya ang pinaka-epektibong paraan upang makuha ang enerhiya ng nukleyar na pagsasanib ay ang pilitin ang nuclei ng pinakamagaan na elemento - ang hydrogen - at ang mga isotopes nito na magsanib..

Bituin sa kamay: solidong kalamangan

Ang nuclear fusion ay natuklasan noong 1930s sa pamamagitan ng pag-aaral sa mga prosesong nagaganap sa loob ng mga bituin. Lumilitaw na ang mga reaksyon ng nuclear fusion ay nagaganap sa loob ng bawat araw, at ang liwanag at init ay mga produkto nito. Sa sandaling ito ay naging malinaw, naisip ng mga siyentipiko kung paano uulitin ang nangyayari sa bituka ng Araw sa Earth. Kung ikukumpara sa lahat ng kilalang pinagmumulan ng enerhiya, ang "kamay na araw" ay may isang bilang ng mga hindi mapag-aalinlanganang mga pakinabang.

Una, ang ordinaryong hydrogen ay nagsisilbing gasolina nito, ang mga reserbang kung saan sa Earth ay tatagal ng maraming libu-libong taon. Kahit na isinasaalang-alang ang katotohanan na ang reaksyon ay hindi nangangailangan ng pinakakaraniwang isotope, deuterium, isang baso ng tubig ay sapat na upang matustusan ang isang maliit na bayan ng kuryente sa loob ng isang linggo. Pangalawa, hindi tulad ng pagkasunog ng mga hydrocarbon, ang reaksyon ng nuclear fusion ay hindi gumagawa ng mga nakakalason na produkto - ang neutral na gas helium lamang.

Mga kalamangan ng fusion energy

Halos walang limitasyong mga supply ng gasolina. Sa isang fusion reactor, ang hydrogen isotopes - deuterium at tritium - ay gumagana bilang gasolina; maaari mo ring gamitin ang isotope helium-3. Mayroong maraming deuterium sa tubig-dagat - maaari itong makuha sa pamamagitan ng conventional electrolysis, at ang mga reserba nito sa World Ocean ay tatagal ng halos 300 milyong taon sa kasalukuyang pangangailangan ng sangkatauhan para sa enerhiya.

Mayroong mas kaunting tritium sa kalikasan, ito ay ginawang artipisyal sa mga nuclear reactor - ngunit napakakaunting kinakailangan para sa isang thermonuclear reaction. Halos walang helium-3 sa Earth, ngunit marami sa lunar na lupa. Kung balang araw ay magkakaroon tayo ng thermonuclear power, malamang na posible na lumipad sa buwan para sa panggatong para dito.

Walang pagsabog. Ito ay nangangailangan ng maraming enerhiya upang lumikha at mapanatili ang isang thermonuclear reaksyon. Sa sandaling huminto ang supply ng enerhiya, huminto ang reaksyon, at ang plasma na pinainit sa daan-daang milyong digri ay hindi na umiral. Samakatuwid, ang isang fusion reactor ay mas mahirap i-on kaysa i-off.

Mababang radioactivity. Ang isang thermonuclear reaction ay gumagawa ng flux ng mga neutron na ibinubuga mula sa magnetic trap at idineposito sa mga dingding ng vacuum chamber, na ginagawa itong radioactive. Sa pamamagitan ng paglikha ng isang espesyal na "kumot" (kumot) sa paligid ng perimeter ng plasma, nagpapabagal sa mga neutron, posible na ganap na maprotektahan ang espasyo sa paligid ng reaktor. Ang kumot mismo ay hindi maiiwasang maging radioactive sa paglipas ng panahon, ngunit hindi nagtagal. Hinahayaan itong magpahinga sa loob ng 20-30 taon, muli kang makakakuha ng materyal na may natural na background radiation.

Walang pagtagas ng gasolina. Palaging may panganib ng pagtagas ng gasolina, ngunit ang isang fusion reactor ay nangangailangan ng napakakaunting gasolina na kahit na ang isang kumpletong pagtagas ay hindi nagbabanta sa kapaligiran. Ang paglulunsad ng ITER, halimbawa, ay mangangailangan lamang ng humigit-kumulang 3 kg ng tritium at kaunti pang deuterium. Kahit na sa pinakamasamang sitwasyon, ang dami ng radioactive isotopes na ito ay mabilis na mawawala sa tubig at hangin at hindi magdudulot ng pinsala sa sinuman.

Walang armas. Ang isang thermonuclear reactor ay hindi gumagawa ng mga substance na maaaring gamitin sa paggawa ng atomic weapons. Samakatuwid, walang panganib na ang pagkalat ng thermonuclear energy ay hahantong sa isang nuclear race.

Paano sindihan ang "artipisyal na araw", sa pangkalahatang mga termino, naging malinaw na ito noong ikalimampu ng huling siglo. Sa magkabilang panig ng karagatan, isinagawa ang mga kalkulasyon na nagtatakda ng mga pangunahing parameter ng isang kinokontrol na reaksyon ng pagsasanib ng nuklear. Dapat itong maganap sa napakalaking temperatura na daan-daang milyong digri: sa ilalim ng gayong mga kondisyon, ang mga electron ay napupunit mula sa kanilang nuclei. Samakatuwid, ang reaksyong ito ay tinatawag ding thermonuclear fusion. Ang hubad na nuclei, na nagbabanggaan sa isa't isa sa napakabilis na bilis, ay nagtagumpay sa pagtanggi ng Coulomb at nagsanib.

Ang unang tokamak na T-1 sa mundo
Ang unang tokamak na T-1 sa mundo

Mga problema at solusyon

Ang sigasig ng mga unang dekada ay bumagsak sa hindi kapani-paniwalang pagiging kumplikado ng gawain. Ang paglulunsad ng thermonuclear fusion ay naging medyo madali - kung ginawa sa anyo ng isang pagsabog. Ang mga atoll sa Pasipiko at mga lugar ng pagsubok ng Sobyet sa Semipalatinsk at Novaya Zemlya ay nakaranas ng buong kapangyarihan ng isang thermonuclear reaction na nasa unang dekada pagkatapos ng digmaan.

Ngunit ang paggamit ng kapangyarihang ito, maliban sa pagsira, ay mas mahirap kaysa sa pagpapasabog ng isang thermonuclear charge. Upang magamit ang thermonuclear energy upang makabuo ng kuryente, ang reaksyon ay dapat isagawa sa isang kontroladong paraan upang ang enerhiya ay mailabas sa maliliit na bahagi.

Paano ito gagawin? Ang kapaligiran kung saan nagaganap ang isang thermonuclear reaction ay tinatawag na plasma. Ito ay katulad ng gas, hindi tulad ng normal na gas na ito ay binubuo ng mga sisingilin na particle. At ang pag-uugali ng mga sisingilin na particle ay maaaring kontrolin gamit ang mga electric at magnetic field.

Samakatuwid, sa pinakakaraniwang anyo nito, ang isang thermonuclear reactor ay isang plasma clot na nakulong sa mga conductor at magnet. Pinipigilan nila ang paglabas ng plasma, at habang ginagawa nila ito, ang atomic nuclei ay nagsasama sa loob ng plasma, bilang isang resulta kung saan ang enerhiya ay inilabas. Ang enerhiya na ito ay dapat na alisin mula sa reaktor, na ginagamit upang init ang coolant - at ang kuryente ay dapat makuha.

Mga bitag at tagas

Ang Plasma ay naging pinaka-kapritsoso na sangkap na kailangang harapin ng mga tao sa Earth. Sa tuwing makakahanap ang mga siyentipiko ng paraan upang harangan ang isang uri ng pagtagas ng plasma, natuklasan ang isang bago. Ang buong ikalawang kalahati ng ika-20 siglo ay ginugol sa pag-aaral na panatilihin ang plasma sa loob ng reaktor para sa anumang makabuluhang oras. Ang problemang ito ay nagsimulang magbunga lamang sa ating mga araw, nang lumitaw ang makapangyarihang mga computer na naging posible upang lumikha ng mga modelo ng matematika ng pag-uugali ng plasma.

Wala pa ring pinagkasunduan kung aling paraan ang pinakamainam para sa plasma confinement. Ang pinakasikat na modelo, ang tokamak, ay isang donut-shaped vacuum chamber (tulad ng sinasabi ng mga mathematician, isang torus) na may mga plasma traps sa loob at labas. Ang pagsasaayos na ito ay magkakaroon ng pinakamalaki at pinakamahal na thermonuclear installation sa mundo - ang ITER reactor na kasalukuyang ginagawa sa timog ng France.

ITER
ITER

Bilang karagdagan sa tokamak, maraming posibleng pagsasaayos ng mga thermonuclear reactor: spherical, tulad ng sa St. Petersburg Globus-M, kakaibang curved stellarators (tulad ng Wendelstein 7-X sa Max Planck Institute of Nuclear Physics sa Germany), laser inertial traps, tulad ng American NIF. Sila ay nakakatanggap ng mas kaunting pansin ng media kaysa sa ITER, ngunit mayroon din silang mataas na mga inaasahan.

May mga siyentipiko na isinasaalang-alang ang disenyo ng stellarator na sa panimula ay mas matagumpay kaysa sa tokamak: ito ay mas mura sa pagtatayo, at ang plasma confinement time ay nangangako na magbibigay ng higit pa. Ang pakinabang sa enerhiya ay ibinibigay ng geometry ng plasma trap mismo, na nagpapahintulot sa isa na mapupuksa ang mga parasitic effect at paglabas na likas sa "donut". Ang laser pumped na bersyon ay mayroon ding mga pakinabang nito.

Ang hydrogen fuel sa kanila ay pinainit sa kinakailangang temperatura sa pamamagitan ng mga pulso ng laser, at ang reaksyon ng pagsasanib ay nagsisimula halos kaagad. Ang plasma sa naturang mga pag-install ay hawak ng inertia at walang oras upang magkalat - lahat ay nangyayari nang napakabilis.

Ang buong mundo

Ang lahat ng mga thermonuclear reactor na umiiral sa mundo ngayon ay mga pang-eksperimentong makina. Wala sa mga ito ang ginagamit upang makabuo ng kuryente. Wala pang nagtagumpay sa pagtupad sa pangunahing criterion para sa isang thermonuclear reaction (Lawson's criterion): upang makakuha ng mas maraming enerhiya kaysa sa ginugol sa paglikha ng reaksyon. Samakatuwid, ang komunidad ng mundo ay nakatuon sa napakalaking proyekto ng ITER. Kung ang Lawson criterion ay matugunan sa ITER, magiging posible na pinuhin ang teknolohiya at subukang ilipat ito sa mga komersyal na riles.

Walang bansa sa mundo ang makakagawa ng ITER nang mag-isa. Nangangailangan ito ng 100 libong km ng mga superconducting wire lamang, at din dose-dosenang mga superconducting magnet at isang higanteng central solenoid para sa paghawak ng plasma, isang sistema para sa paglikha ng isang mataas na vacuum sa isang singsing, helium cooler para sa mga magnet, controllers, electronics … Samakatuwid, ang ang proyekto ay nagtatayo ng 35 bansa at higit pa nang sabay-sabay na libu-libong siyentipikong institusyon at pabrika.

ITER
ITER

Ang Russia ay isa sa mga pangunahing bansang kalahok sa proyekto; sa Russia 25 teknolohikal na sistema ng hinaharap na reaktor ang idinisenyo at itinayo. Ito ay mga superconductor, mga sistema para sa pagsukat ng mga parameter ng plasma, mga awtomatikong controller at mga bahagi ng divertor, ang pinakamainit na bahagi ng panloob na dingding ng tokamak.

Pagkatapos ng paglulunsad ng ITER, magkakaroon ng access ang mga siyentipikong Ruso sa lahat ng pang-eksperimentong data nito. Gayunpaman, ang echo ng ITER ay mararamdaman hindi lamang sa agham: ngayon sa ilang mga rehiyon ay may lumitaw na mga pasilidad ng produksyon, na sa Russia ay hindi umiiral noon. Halimbawa, bago magsimula ang proyekto, walang pang-industriya na produksyon ng mga superconducting na materyales sa ating bansa, at 15 tonelada lamang bawat taon ang ginawa sa buong mundo. Ngayon, sa Chepetsk Mechanical Plant lamang ng korporasyon ng estado na "Rosatom" posible na makagawa ng 60 tonelada bawat taon.

Ang hinaharap ng enerhiya at higit pa

Ang unang plasma sa ITER ay binalak na matanggap sa 2025. Ang buong mundo ay naghihintay para sa kaganapang ito. Ngunit ang isa, kahit na ang pinakamakapangyarihan, ang makina ay hindi lahat. Sa buong mundo at sa Russia, patuloy silang nagtatayo ng mga bagong thermonuclear reactor, na makakatulong sa wakas na maunawaan ang pag-uugali ng plasma at mahanap ang pinakamahusay na paraan upang magamit ito.

Nasa katapusan na ng 2020, ang Kurchatov Institute ay maglulunsad ng bagong tokamak T-15MD, na magiging bahagi ng hybrid installation na may mga nuclear at thermonuclear na elemento. Ang mga neutron, na nabuo sa thermonuclear reaction zone, sa hybrid installation ay gagamitin upang simulan ang fission ng heavy nuclei - uranium at thorium. Sa hinaharap, ang gayong mga hybrid na makina ay maaaring gamitin upang makagawa ng gasolina para sa maginoo na mga nuclear reactor - parehong thermal at mabilis na mga neutron.

Torium kaligtasan

Lalo na nakatutukso ang pag-asam ng paggamit ng isang thermonuclear na "nucleus" bilang pinagmumulan ng mga neutron upang simulan ang pagkabulok sa thorium nuclei. Mayroong mas maraming thorium sa planeta kaysa sa uranium, at ang paggamit nito bilang isang nuclear fuel ay nalulutas ang ilang mga problema ng modernong nuclear power nang sabay-sabay.

Kaya, ang mga nabubulok na produkto ng thorium ay hindi magagamit upang makagawa ng mga radioactive na materyales ng militar. Ang posibilidad ng naturang paggamit ay nagsisilbing isang pampulitikang salik na pumipigil sa maliliit na bansa mula sa pagbuo ng kanilang sariling nuclear energy. Ang thorium fuel ay nalulutas ang problemang ito minsan at para sa lahat.

Ang mga plasma traps ay maaaring maging kapaki-pakinabang hindi lamang sa enerhiya, kundi pati na rin sa iba pang mapayapang industriya - kahit na sa kalawakan. Ngayon ang Rosatom at ang Kurchatov Institute ay nagtatrabaho sa mga bahagi para sa isang electrodeless plasma rocket engine para sa spacecraft at mga sistema para sa pagbabago ng plasma ng mga materyales. Ang pakikilahok ng Russia sa proyekto ng ITER ay nagpapasigla sa industriya, na humahantong sa paglikha ng mga bagong industriya, na bumubuo na ng batayan para sa mga bagong pag-unlad ng Russia.

Inirerekumendang: