;
Кейсы 13 апреля 2021

Четыре пути к синтезу: плюсы и минусы различных подходов к ядерной энергии

Далее

Почти столетие ученых мучила перспектива получения неиссякаемого источника энергии с помощью ядерного синтеза. К сожалению, создание контролируемой среды, в которой атомные ядра могут непрерывно сливаться под экстремальным давлением и температурой, чтобы производить энергию, которую мы можем уловить, очень сложно. Однако это не означает, что в науке не происходит впечатляющих достижений. Рассказываем о различных подходах к ядерному синтезу и причины, по которым одни могут быть более перспективными, чем другие.

Синтез и деление: в чем разница?

Синтез и деление — это разные процессы производства ядерной энергии. Ядерный синтез направлен на объединение отдельных атомов в более крупный, а ядерное деление основывается на разрыве атома (обычно урана-235) путем поражения его нейтроном. Оба процесса высвобождают огромное количество энергии, хотя синтез дает больше.

Эта энергия, произведенная в результате ядерного деления, улавливается внутри реакторов и используется для нагрева воды до состояния пара, который вращает турбину и вырабатывает электричество. Но в результате этого процесса образуются отходы, которые могут оставаться радиоактивными в течение миллионов лет. Ситуация в реакторах на Фукусиме и Чернобыле, показала, чем это может обернуться.

С другой стороны, термоядерный синтез не приведет к образованию долговременных ядерных отходов, а необходимые материалы можно переработать в течение 100 лет. Также нет опасности аварии, потому что процесс основан на высокотемпературных реакциях, которые прекращаются за нескольких секунд при нарушении работы оборудования. А поскольку в этих реакциях используется относительно небольшое количество топлива, нет опасности их использования для производства ядерного оружия.

В области исследований ядерного синтеза участвуют ученые, которые стремятся к одной цели — воссозданию процессов, которые само Солнце использует для производства огромного количества энергии. Огромные гравитационные силы удерживают водород из атмосферы Солнца и используют интенсивное тепло и давление для преобразования газа в плазму. В ней с высокой скоростью сталкиваются ядра, образуя гелий и высвобождая энергию.

Еще один ключевой фактор — это сила тяжести. Колоссальные гравитационные силы Солнца примерно в 28 раз больше, чем здесь, на Земле. Ученым пришлось проявить творческий подход к ограничению топлива для реакций ядерного синтеза. Наиболее предпочтительный подход в его нынешнем виде заключается в использовании магнитных полей, которые можно использовать для удержания двух тяжелых форм водорода, дейтерия и трития, в устройстве, которое называется токамак.

Токамак — большие надежды

Само слово «токамак» ничего не обозначает — это просто сокращение, которое потом стало полноценным словом. Его используют не только в России, но и за рубежом, так как именно в нашей стране эту штуку придумали и именно у нас они долгое время активно развивались.

Токамак — тороидальная камера с магнитными катушками. Только и всего.

Суть токамака сводится к тому, чтобы создать магнитное поле, в котором будет протекать реакция термоядерного синтеза. Так как температура такой реакции не просто высокая, а буквально запредельная (несколько миллионов градусов Цельсия), ее нельзя проводить просто внутри какой-то камеры — она расплавится задолго до достижения рабочей температуры.

Такая температура достигается из-за того, что внутри токамака вещество находится в четвертом агрегатном состоянии, которое достигается при таких высоких температурах. Такое состояние называется плазма. На Земле плазма в естественной среде встречается только в молнии и северном сиянии, в космосе из нее состоит буквально все — звезды, туманности, межзвездное пространство.

Внутри здания, в котором разместится крупнейший в мире реактор-токамак.

Первым, кто предложил использовать термоядерный синтез, в том числе и для промышленных целей, был советский физик О. А. Лаврентьев. Сделал он это в своей работе 1950 года. Именно с его работы началось изучение способов использования термоядерного синтеза.

Спустя год другие физики — А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм — развили идею и сказали, что термоядерная реакция должна поддерживаться внутри замкнутой камеры тороидальной формы. Для создания внутри токамака магнитного поля он составляется из секций, внутри которых намотаны катушки. Так как они идут по всей длине камеры и создают что-то вроде замкнутого тоннеля, получающееся магнитное поле называют тороидальным. Это и есть рабочая зона установки.

Внутри китайского экспериментального усовершенствованного сверхпроводящего токамака (EAST).

Когда камера заполнена, в ней создается вихревое электрическое поле, которое поддерживают плазму внутри камеры, а заодно разогревает ее, доводя до той самой температуры в несколько миллионов градусов.

Так как поле и нагрев создаются за счет увеличения тока в индукторе, а он не может увеличиваться бесконечно, время существования плазмы в стабильном состоянии пока не превышает нескольких секунд. Это и является главной причиной того, что мы пока не можем использовать токамаки в качестве источника промышленного получения энергии. Существуют способы решения этой проблемы, в том числе с использованием микроволнового излучения, но пока работы в этом направлении еще ведутся.

Многие люди, работающие над достижением этой цели, возлагают большие надежды на устройство следующего поколения, которое сейчас строится. ИТЭР , или Международный термоядерный экспериментальный реактор, — один из самых амбициозных энергетических проектов, которые когда-либо предпринимало человечество, с участием ученых и инженеров из 35 стран. Когда он будет завершен в 2025 году, он станет крупнейшим в мире устройством ядерного синтеза.

Хотя большая часть амбиций человечества в области ядерного синтеза связана с ИТЭР, есть и другие захватывающие возможности. В том числе еще один термоядерный реактор с магнитным удержанием — стелларатор.

Стелларатор — подражая звезде

Как и токамаки, стеллараторы предназначены для удержания потоков плазмы в замкнутой камере с помощью магнитных катушек, но с некоторыми ключевыми отличиями. Вместо красивой симметричной формы пончика стелларатор рассылает плазму по неправильным кругам, которые вращаются и вращаются с помощью невероятно сложной серии магнитных катушек. Это кажется нелогичным, но на самом деле создает большую стабильность в плазме из-за различий во внутреннем токе, пишет New Atlas.

Сам по себе стелларатор — тип реактора для осуществления управляемого термоядерного синтеза. Название происходит от лат. stella — звезда, указывает указывать на схожесть процессов, происходящих в стеллараторе и внутри звезд. Изобретен американским ученым-физиком Л. Спитцером в 1950 году, первый образец построен под его руководством в следующем году в рамках секретного проекта «Маттерхорн».

Wendelstein 7-X (W7-X) — экспериментальная установка для исследования высокотемпературной плазмы, расположенная в городе Грайфсвальде в Германии. Её строительство осуществлялось Институтом физики плазмы Общества Макса Планка с 2005 по 2014 годы. Целью установки является проверка промышленной пригодности термоядерного реактора типа стелларатор, а также исследование и совершенствование технических компонентов и технологий в области управляемого термоядерного синтеза.

В таких реакторах термоядерного синтеза тороидальная камера имеет сложную извилистую форму, как и создаваемые вокруг нее магнитные поля. Такая необычная конструкция, согласно теории, помогает таким реакторам работать в непрерывном режиме, затрачивая на это гораздо меньше энергии, чем затрачивают обычные «ровные» реакторы типа токамак. Помимо этого, сложная конфигурация магнитного поля позволяет надежно удерживать высокотемпературную плазму, что уменьшает риск ее контакта с внутренними стенками камеры реактора. Однако такие преимущества требуют своей цены, которая заключается в сложности проектирования и изготовления самого реактора.

В декабре 2017 года W7-X завершил второй этап экспериментов, в которых использовались улучшенные системы разогрева плазмы и проведения измерений. Основным элементом, который испытывался на втором этапе, являлась система отвода тепла, работа которой не должна оказывать влияние на шнур плазмы. Этот инструмент состоит из цепочки магнитов, которые формируют сложные магнитные поля, заставляя плазму проходить «впритирку» к 10 теплоотводящим пластинам. Любое отклонение магнитных полей влечет за собой отклонение плазменного шнура, что приводит к перегреву пластин и к чрезмерному охлаждению и разрушению плазменного шнура.

Работой электромагнитов, создающих магнитное поле, управляет сложная система управления, в которой используется множество обратных связей.

Поскольку стеллараторы не требуют такого большого внутреннего тока и по своей природе предлагают большую стабильность, чем токамаки, Хоул говорит, что они вполне могут быть лучше приспособлены для обеспечения энергией сети. Но это при условии, что невероятно сложная инфраструктура может быть построена не слишком дорогим способом и с таким же ограничением, что не так в нынешнем виде.

Инерционное удержание — радикальный подход

Помимо области магнитного удержания, исследуются другие подходы к ядерному синтезу, подпадающие под так называемое инерционное удержание. Инерциальный управляемый термоядерный синтез — один из видов термоядерного синтеза, при котором термоядерное топливо удерживается собственными силами инерции. Идея заключается в быстром и равномерном нагреве термоядерного топлива, так, чтобы образовавшаяся плазма до разлета успела прореагировать. Таким образом, при использовании данного принципа реактор будет импульсным. Это новое направление исследований в области ядерного синтеза предполагает использование очень точно нацеленных лазерных или ионных лучей для быстрого нагрева топливной таблетки, которая будет состоять из дейтерия и трития.

Идея состоит в том, что воздействие на эти топливные таблетки такому внезапному и сильному нагреву вызовет огромные сжимающие силы, которые запускают цепную реакцию через слои материала, в которых может происходить ядерный синтез, высвобождая огромное количество энергии. Австралийская компания HB11 Energy стремится покончить с традиционным рецептом дейтерия и трития в пользу нерадиоактивного подхода, включающего водород и бор-b11.

Небольшая гранула водородно-борного топлива помещается в большую сферу и поражается двумя лазерами одновременно, чтобы вызвать реакцию синтеза, которая непосредственно генерирует электричество без использования паровых турбин.

Компания утверждает, что избегает многих проблем, которые десятилетиями преследовали ядерный синтез, в основном потому, что она не пытается нагреть свое топливо до безумно высоких температур. Он подвергает свои топливные таблетки воздействию двух лазеров, один для создания магнитного удерживающего поля, а второй для запуска цепной реакции синтеза водорода и бора, которая создает частицы, которые, в свою очередь, могут генерировать электрический ток.

По словам специалистов, этот ток можно почти напрямую направить в существующую энергосистему. Не было бы необходимости в паротурбинном генераторе или теплообменнике, и не было бы опасности расплавления. Команда очень оптимистично относится к своей технологии и заявляет, что ее эксперименты показывают скорость реакции в миллиард раз лучше, чем прогнозировалось, и полагают, что ее план развития будет намного быстрее и дешевле, чем другие подходы.

Энергия, что высвобождается в результате такой реакции, способна нагревать окружающее топливо и, если температура будет достаточно высока, это также может начать термоядерную реакцию. Целью таких установок является возможность достичь термоядерного «горения», когда процесс высвобождения тепла вызывает звеньевую реакцию, затрагивающую значительную часть топлива. Обычный шарик топлива имеет размер булавочной головки и содержит около 10 миллиграммов топлива. На практике лишь незначительная часть этого топлива может быть задействована в термоядерной реакции, но если все это топливо будет использовано, это высвободит энергию, эквивалентную сгоранию барреля нефти.

«Это интересная наука, — заявил Мэтью Хоул, эксперт по ядерному синтезу и научный сотрудник Австралийского национального университета, знакомый с HB11 и исследователями, работающими над проектом в New Atlas. — Но я бы не сказал, что есть убедительные доказательства того, что вы могли бы превратить это в электростанцию ​​в более быстром масштабе, чем ИТЭР или тороидальное магнитное удержание».

По словам Хоула, ключевая проблема таких подходов заключается в том, что эти реакции происходят в мгновение ока. Чтобы технология могла быть применена к практической электростанции, она должна перерасти от кратковременных разовых реакций к чему-то, что производит постоянный запас энергии, например, к горящему огню.

Z-пинч — темная лошадка

Еще один интересный пример подхода с инерционным удержанием к ядерному синтезу — Z-пинч. В исследованиях термоядерной энергии он представляет собой тип системы удержания плазмы, который использует электрический ток в плазме для создания магнитного поля, которое сжимает ее.

Иными словами, вместо того, чтобы использовать большие и сложные магнитные катушки для удержания потоков плазмы на месте, такой подход использует электромагнитное поле, которое генерируется внутри самой плазмы. Можно сказать, что это — темная лошадка в гонке ядерного синтеза. С момента своего создания в 1950-х годах пинч-эффект обещает более простую конфигурацию, чем токамаки или стеллараторы. Но, как и эти устройства, он также подвержен нестабильности в плазме, которая выходит за пределы силовых линий магнитного поля.

Система удержания Z-pinch в Вашингтонском университете

Ученые из Вашингтонского университета придумали способ сгладить эти выпуклости путем настройки гидродинамики плазмы. Будучи многообещающим решением энергетической проблемы, как и лазерный подход HB11, Z-пинч все же столкнется с серьезными проблемами, когда дело дойдет до обеспечения непрерывной мощности. Проблема в том, что он также является импульсным по своей природе.

Что в итоге?

ИТЭР, тороидальное магнитное удержание и конструкция токамака, безусловно, являются наиболее продвинутыми. Однако исследователи ядерного синтеза используют различные подходы, каждый со своими преимуществами и недостатками. К сожалению, независимо от подхода, процесс по-прежнему требует больше энергии, чем возвращает. Но решение этих инженерных и физических проблем для получения чистой энергии, каким бы невероятно сложным оно ни было, будет одним из величайших достижений человечества.


Читать далее

Создана первая точная карта мира. Что не так со всеми остальными?

Инфракрасное излучение от рук человека использовали для шифрования

Уран получил статус самой странной планеты в Солнечной системе. Почему?

Загрузка...