Obsah:

Má termonukleárna energia budúcnosť?
Má termonukleárna energia budúcnosť?

Video: Má termonukleárna energia budúcnosť?

Video: Má termonukleárna energia budúcnosť?
Video: Аналитика продаж для руководителя бизнеса //16+ 2024, Marec
Anonim

Vedci sa už viac ako pol storočia snažia na Zemi zostrojiť stroj, v ktorom podobne ako v útrobách hviezd prebieha termonukleárna reakcia. Technológia riadenej termonukleárnej fúzie sľubuje ľudstvu takmer nevyčerpateľný zdroj čistej energie. Pri zrode tejto technológie stáli sovietski vedci – a teraz Rusko pomáha stavať najväčší fúzny reaktor na svete.

Časti jadra atómu drží pohromade obrovská sila. Existujú dva spôsoby, ako ho uvoľniť. Prvým spôsobom je využitie štiepnej energie veľkých ťažkých jadier z najvzdialenejšieho konca periodickej tabuľky: urán, plutónium. Vo všetkých jadrových elektrárňach na Zemi je zdrojom energie práve rozpad ťažkých jadier.

Existuje však aj druhý spôsob uvoľnenia energie atómu: nedeliť sa, ale naopak, jadrá spojiť. Pri zlučovaní niektoré z nich uvoľňujú ešte viac energie ako štiepne jadrá uránu. Čím je jadro ľahšie, tým viac energie sa pri fúzii (ako sa hovorí fúzia) uvoľní, takže najefektívnejším spôsobom, ako získať energiu jadrovej fúzie, je prinútiť jadrá najľahšieho prvku – vodíka – a jeho izotopov, aby sa spojili..

Ručná hviezda: solídne plusy

Jadrová fúzia bola objavená v 30. rokoch 20. storočia štúdiom procesov prebiehajúcich vo vnútri hviezd. Ukázalo sa, že vo vnútri každého slnka prebiehajú reakcie jadrovej fúzie a svetlo a teplo sú jeho produktmi. Hneď ako sa to vyjasnilo, vedci rozmýšľali, ako zopakovať to, čo sa deje v útrobách Slnka na Zemi. V porovnaní so všetkými známymi zdrojmi energie má „ručné slnko“množstvo nesporných výhod.

Najprv mu ako palivo slúži obyčajný vodík, ktorého zásoby na Zemi vydržia na mnoho tisíc rokov. Aj keď vezmeme do úvahy skutočnosť, že reakcia nevyžaduje najbežnejší izotop, deutérium, pohár vody stačí na zásobovanie malého mesta elektrinou na týždeň. Po druhé, na rozdiel od spaľovania uhľovodíkov, jadrová fúzna reakcia neprodukuje toxické produkty - iba neutrálny plyn hélium.

Výhody fúznej energie

Takmer neobmedzené zásoby paliva. Vo fúznom reaktore fungujú izotopy vodíka – deutérium a trícium – ako palivo; môžete použiť aj izotop hélium-3. V morskej vode je veľa deutéria – dá sa získať klasickou elektrolýzou a jeho zásoby vo Svetovom oceáne vydržia pri súčasnej potrebe ľudstva po energii asi 300 miliónov rokov.

V prírode je trícia oveľa menej, vyrába sa umelo v jadrových reaktoroch – no na termonukleárnu reakciu ho treba veľmi málo. Na Zemi nie je takmer žiadne hélium-3, ale v lunárnej pôde je ho veľa. Ak jedného dňa budeme mať termonukleárnu energiu, pravdepodobne bude možné letieť na Mesiac pre palivo.

Žiadne výbuchy. Na vytvorenie a udržanie termonukleárnej reakcie je potrebné veľa energie. Len čo sa dodávka energie zastaví, reakcia sa zastaví a plazma zohriata na stovky miliónov stupňov prestane existovať. Fúzny reaktor sa preto ťažšie zapína ako vypína.

Nízka rádioaktivita. Termonukleárna reakcia vytvára tok neutrónov, ktoré sú emitované z magnetickej pasce a ukladajú sa na steny vákuovej komory, čím sa stáva rádioaktívnym. Vytvorením špeciálnej „prikrývky“(prikrývky) po obvode plazmy, spomaľujúcej neutróny, je možné úplne ochrániť priestor okolo reaktora. Samotná prikrývka sa časom nevyhnutne stane rádioaktívnou, ale nie nadlho. Ak ho necháte odpočívať 20-30 rokov, môžete opäť získať materiál s prirodzeným žiarením pozadia.

Žiadne úniky paliva. Vždy existuje riziko úniku paliva, ale fúzny reaktor vyžaduje tak málo paliva, že ani úplný únik neohrozuje životné prostredie. Napríklad spustenie ITER by si vyžadovalo len asi 3 kg trícia a o niečo viac deutéria. Dokonca aj v najhoršom prípade sa toto množstvo rádioaktívnych izotopov rýchlo rozptýli vo vode a vzduchu a nikomu neublíži.

Žiadne zbrane. Termonukleárny reaktor neprodukuje látky, ktoré by sa dali použiť na výrobu atómových zbraní. Nehrozí teda, že šírenie termonukleárnej energie povedie k jadrovým pretekom.

Ako zapáliť „umelé slnko“, vo všeobecnosti sa ukázalo už v päťdesiatych rokoch minulého storočia. Na oboch stranách oceánu boli vykonané výpočty, ktoré stanovili hlavné parametre riadenej jadrovej fúznej reakcie. Malo by to prebiehať pri obrovskej teplote stoviek miliónov stupňov: za takýchto podmienok sa odtrhávajú elektróny od ich jadier. Preto sa táto reakcia nazýva aj termonukleárna fúzia. Holé jadrá, ktoré do seba narážajú závratnou rýchlosťou, prekonávajú Coulombov odpor a spájajú sa.

Prvý tokamak T-1 na svete
Prvý tokamak T-1 na svete

Problémy a riešenia

Nadšenie prvých desaťročí narazilo na neuveriteľnú zložitosť úlohy. Spustenie termonukleárnej fúzie sa ukázalo ako pomerne jednoduché - ak sa to uskutoční vo forme výbuchu. Tichomorské atoly a sovietske testovacie miesta v Semipalatinsku a Novej Zemi zažili plnú silu termonukleárnej reakcie už v prvej povojnovej dekáde.

Ale použitie tejto sily, s výnimkou zničenia, je oveľa ťažšie ako odpálenie termonukleárnej nálože. Na využitie termonukleárnej energie na výrobu elektriny je potrebné, aby reakcia prebiehala kontrolovaným spôsobom, aby sa energia uvoľňovala v malých častiach.

Ako to spraviť? Prostredie, v ktorom prebieha termonukleárna reakcia, sa nazýva plazma. Je podobný plynu, len na rozdiel od normálneho plynu pozostáva z nabitých častíc. A správanie nabitých častíc možno ovládať pomocou elektrických a magnetických polí.

Preto je termonukleárny reaktor vo svojej najvšeobecnejšej forme plazmová zrazenina zachytená vo vodičoch a magnetoch. Zabraňujú úniku plazmy a pri tom sa vo vnútri plazmy spájajú atómové jadrá, v dôsledku čoho sa uvoľňuje energia. Túto energiu treba z reaktora odobrať, použiť na ohrev chladiacej kvapaliny – a získať elektrinu.

Pasce a úniky

Ukázalo sa, že plazma je najrozmarnejšia látka, ktorej ľudia na Zemi museli čeliť. Zakaždým, keď vedci našli spôsob, ako zablokovať jeden typ úniku plazmy, objavil sa nový. Celá druhá polovica 20. storočia bola venovaná učeniu sa udržať plazmu vo vnútri reaktora na nejaký významný čas. Tento problém začal ustupovať až v našich dňoch, keď sa objavili výkonné počítače, ktoré umožnili vytvárať matematické modely správania plazmy.

Stále neexistuje konsenzus o tom, ktorá metóda je najlepšia na zadržiavanie plazmy. Najznámejší model, tokamak, je vákuová komora v tvare šišky (ako hovoria matematici, torus) s lapačmi plazmy vo vnútri aj vonku. Táto konfigurácia bude mať najväčšie a najdrahšie termonukleárne zariadenie na svete – reaktor ITER, ktorý je v súčasnosti vo výstavbe na juhu Francúzska.

ITER
ITER

Okrem tokamaku existuje veľa možných konfigurácií termonukleárnych reaktorov: sférické, ako v petrohradskom Globus-M, bizarne zakrivené stelarátory (ako Wendelstein 7-X v Ústave jadrovej fyziky Maxa Plancka v Nemecku), laser inerciálne pasce, ako napríklad americký NIF. Dostáva sa im oveľa menšej pozornosti médií ako projektu ITER, no zároveň majú veľké očakávania.

Existujú vedci, ktorí považujú návrh stelarátora za zásadne úspešnejší ako tokamak: jeho výstavba je lacnejšia a doba zadržania plazmy sľubuje oveľa viac. Zisk energie je zabezpečený samotnou geometriou plazmového lapača, čo umožňuje zbaviť sa parazitných efektov a netesností, ktoré sú „šiške“vlastné. Verzia s laserovým čerpaním má tiež svoje výhody.

Vodíkové palivo v nich sa laserovými impulzmi zahreje na požadovanú teplotu a fúzna reakcia sa spustí takmer okamžite. Plazma v takýchto inštaláciách je držaná zotrvačnosťou a nemá čas na rozptýlenie - všetko sa deje tak rýchlo.

Celý svet

Všetky termonukleárne reaktory, ktoré dnes na svete existujú, sú experimentálne stroje. Žiadna z nich sa nepoužíva na výrobu elektriny. Nikomu sa zatiaľ nepodarilo splniť hlavné kritérium termonukleárnej reakcie (Lawsonovo kritérium): získať viac energie, ako bolo vynaložené na vytvorenie reakcie. Preto sa svetové spoločenstvo zameralo na gigantický projekt ITER. Ak bude v ITER splnené Lawsonovo kritérium, bude možné technológiu vylepšiť a pokúsiť sa ju preniesť na komerčné koľajnice.

Žiadna krajina na svete nedokázala postaviť ITER sama. Potrebuje len 100 tisíc km supravodivých drôtov a tiež desiatky supravodivých magnetov a obrovský centrálny solenoid na uchytenie plazmy, systém na vytváranie vysokého vákua v prstenci, héliové chladiče magnetov, ovládače, elektroniku… projekt buduje 35 krajín a viac naraz tisíce vedeckých inštitútov a tovární.

ITER
ITER

Rusko je jednou z hlavných krajín zúčastňujúcich sa na projekte; v Rusku sa navrhuje a stavia 25 technologických systémov budúceho reaktora. Ide o supravodiče, systémy na meranie parametrov plazmy, automatické regulátory a komponenty divertoru, najteplejšej časti vnútornej steny tokamaku.

Po spustení ITER budú mať ruskí vedci prístup ku všetkým jeho experimentálnym údajom. Ozvena projektu ITER sa však prejaví nielen vo vede: teraz sa v niektorých regiónoch objavili výrobné zariadenia, ktoré v Rusku predtým neexistovali. Napríklad pred spustením projektu u nás neexistovala priemyselná výroba supravodivých materiálov a na celom svete sa ich vyrobilo len 15 ton ročne. Teraz je možné vyrobiť 60 ton ročne iba v Chepetskom mechanickom závode štátnej korporácie "Rosatom".

Budúcnosť energetiky a mimo nej

Prvá plazma na ITER by mala byť prijatá v roku 2025. Na túto udalosť čaká celý svet. Jeden, ani ten najvýkonnejší stroj však nie je všetko. Po celom svete aj v Rusku pokračujú v budovaní nových termonukleárnych reaktorov, ktoré pomôžu konečne pochopiť správanie plazmy a nájsť najlepší spôsob, ako ju využiť.

Už koncom roka 2020 sa Kurčatov inštitút chystá spustiť nový tokamak T-15MD, ktorý sa stane súčasťou hybridného zariadenia s jadrovými a termonukleárnymi prvkami. Neutróny, ktoré vznikajú v zóne termonukleárnej reakcie v hybridnom zariadení budú použité na iniciáciu štiepenia ťažkého jadra - uránu a tória. V budúcnosti môžu byť takéto hybridné stroje použité na výrobu paliva pre konvenčné jadrové reaktory – tepelné aj rýchle neutróny.

Záchrana tória

Obzvlášť lákavá je perspektíva využitia termonukleárneho „jadra“ako zdroja neutrónov na iniciáciu rozpadu jadier tória. Na planéte je viac tória ako uránu a jeho použitie ako jadrového paliva rieši niekoľko problémov modernej jadrovej energetiky naraz.

Produkty rozpadu tória teda nemožno použiť na výrobu vojenských rádioaktívnych materiálov. Možnosť takéhoto využitia slúži ako politický faktor, ktorý bráni malým krajinám vo vývoji vlastnej jadrovej energie. Palivo tórium rieši tento problém raz a navždy.

Plazmové pasce môžu byť užitočné nielen v energetike, ale aj v iných mierových odvetviach – dokonca aj vo vesmíre. Teraz Rosatom a Kurchatovov inštitút pracujú na komponentoch pre bezelektródový plazmový raketový motor pre kozmické lode a systémy na plazmovú modifikáciu materiálov. Účasť Ruska na projekte ITER podnecuje priemysel, čo vedie k vytvoreniu nových priemyselných odvetví, ktoré už tvoria základ pre nový ruský vývoj.

Odporúča: