INHOUDSOPGAWE:

Het termonukleêre energie 'n toekoms?
Het termonukleêre energie 'n toekoms?

Video: Het termonukleêre energie 'n toekoms?

Video: Het termonukleêre energie 'n toekoms?
Video: Leslie Kean on David Grusch (UFO Whistleblower): Non-Human Intelligence, Recovered UFOs, UAP, & more 2024, Maart
Anonim

Wetenskaplikes probeer al meer as’n halfeeu lank’n masjien op Aarde bou waarin, soos in die ingewande van sterre,’n termonukleêre reaksie plaasvind. Die tegnologie van beheerde termonukleêre samesmelting beloof aan die mensdom 'n byna onuitputlike bron van skoon energie. Sowjet-wetenskaplikes was aan die oorsprong van hierdie tegnologie – en nou help Rusland om die grootste samesmeltingsreaktor ter wêreld te bou.

Die dele van die kern van 'n atoom word deur 'n kolossale krag bymekaar gehou. Daar is twee maniere om dit vry te stel. Die eerste metode is om die splytingsenergie van groot swaar kerne vanaf die verste punt van die periodieke tabel te gebruik: uraan, plutonium. By alle kernkragsentrales op Aarde is die bron van energie juis die verval van swaar kerne.

Maar daar is ook 'n tweede manier om die energie van die atoom vry te stel: nie om te verdeel nie, maar inteendeel, om die kerne te kombineer. Wanneer hulle saamsmelt, stel sommige van hulle selfs meer energie vry as splytbare uraankerne. Hoe ligter die kern, hoe meer energie sal vrygestel word tydens samesmelting (soos hulle sê, samesmelting), so die doeltreffendste manier om die energie van kernfusie te kry, is om die kerne van die ligste element - waterstof - en sy isotope te dwing om saam te smelt.

Handster: soliede voordele

Kernfusie is in die 1930's ontdek deur die prosesse wat in die binnekant van sterre plaasvind, te bestudeer. Dit het geblyk dat kernfusiereaksies binne elke son plaasvind, en lig en hitte is die produkte daarvan. Sodra dit duidelik geword het, het wetenskaplikes gedink oor hoe om te herhaal wat in die ingewande van die Son op Aarde gebeur. In vergelyking met alle bekende energiebronne het die "handson" 'n aantal onbetwisbare voordele.

Eerstens dien gewone waterstof as sy brandstof, waarvan die reserwes op Aarde vir baie duisende jare sal hou. Selfs met inagneming van die feit dat die reaksie nie die mees algemene isotoop, deuterium, vereis nie, is 'n glas water genoeg om 'n klein dorpie vir 'n week lank van elektrisiteit te voorsien. Tweedens, anders as die verbranding van koolwaterstowwe, produseer die kernfusie-reaksie nie giftige produkte nie - slegs die neutrale gas helium.

Voordele van samesmeltingsenergie

Byna onbeperkte brandstofvoorrade. In 'n samesmeltingsreaktor werk waterstofisotope - deuterium en tritium - as brandstof; jy kan ook die isotoop helium-3 gebruik. Daar is baie deuterium in seewater - dit kan verkry word deur konvensionele elektrolise, en sy reserwes in die Wêreldoseaan sal vir ongeveer 300 miljoen jaar hou by die huidige vraag van die mensdom na energie.

Daar is baie minder tritium in die natuur, dit word kunsmatig in kernreaktore vervaardig – maar baie min is nodig vir’n termonukleêre reaksie. Daar is amper geen helium-3 op Aarde nie, maar daar is baie in die maangrond. As ons eendag termonukleêre krag het, sal dit waarskynlik moontlik wees om na die maan te vlieg vir brandstof daarvoor.

Geen ontploffings nie. Dit verg baie energie om 'n termonukleêre reaksie te skep en in stand te hou. Sodra die energietoevoer stop, stop die reaksie, en die plasma wat tot honderde miljoene grade verhit is, hou op om te bestaan. Daarom is 'n samesmeltingsreaktor moeiliker om aan te skakel as om af te skakel.

Lae radioaktiwiteit.'n Termonukleêre reaksie produseer 'n vloed van neutrone wat deur die magnetiese lokval vrygestel word en op die wande van die vakuumkamer neergelê word, wat dit radioaktief maak. Deur 'n spesiale "kombers" (kombers) rondom die plasma-omtrek te skep, wat neutrone vertraag, is dit moontlik om die spasie rondom die reaktor heeltemal te beskerm. Die kombers self word noodwendig mettertyd radioaktief, maar nie vir lank nie. As jy dit vir 20-30 jaar laat rus, kan jy weer materiaal kry met 'n natuurlike agtergrondstraling.

Geen brandstof lekkasies nie. Daar is altyd 'n risiko van brandstoflekkasie, maar 'n samesmeltingsreaktor benodig so min brandstof dat selfs 'n volledige lek nie die omgewing bedreig nie. Om ITER byvoorbeeld bekend te stel, sal slegs sowat 3 kg tritium en 'n bietjie meer deuterium vereis. Selfs in die ergste scenario sal hierdie hoeveelheid radioaktiewe isotope vinnig in water en lug verdwyn en niemand skade berokken nie.

Geen wapens nie.’n Termonukleêre reaktor produseer nie stowwe wat gebruik kan word om atoomwapens te maak nie. Daarom is daar geen gevaar dat die verspreiding van termonukleêre energie tot 'n kernresies sal lei nie.

Hoe om die "kunsmatige son" in algemene terme te verlig, het dit reeds in die vyftigerjare van die vorige eeu duidelik geword. Aan beide kante van die see is berekeninge uitgevoer wat die hoofparameters van 'n beheerde kernfusie-reaksie gestel het. Dit behoort by’n enorme temperatuur van honderdmiljoene grade te plaasvind: onder sulke toestande word elektrone van hul kerne afgeskeur. Daarom word hierdie reaksie ook termonukleêre samesmelting genoem. Kaal kerne wat teen yslike spoed met mekaar bots, oorkom die Coulomb-afstoting en smelt saam.

Die wêreld se eerste tokamak T-1
Die wêreld se eerste tokamak T-1

Probleme en oplossings

Die entoesiasme van die eerste dekades het vasgeval in die ongelooflike kompleksiteit van die taak. Die bekendstelling van termonukleêre samesmelting blyk relatief maklik te wees - as dit in die vorm van 'n ontploffing gedoen word. Stille Oseaan-atolle en Sowjet-toetsterreine in Semipalatinsk en Novaja Zemlja het reeds in die eerste na-oorlogse dekade die volle krag van 'n termonukleêre reaksie ervaar.

Maar om hierdie krag te gebruik, behalwe vir vernietiging, is baie moeiliker as om 'n termonukleêre lading te ontplof. Om termonukleêre energie te gebruik om elektrisiteit op te wek, moet die reaksie op 'n beheerde wyse uitgevoer word sodat energie in klein porsies vrygestel word.

Hoe om dit te doen? Die omgewing waarin 'n termonukleêre reaksie plaasvind, word 'n plasma genoem. Dit is soortgelyk aan gas, net anders as normale gas bestaan dit uit gelaaide deeltjies. En die gedrag van gelaaide deeltjies kan met elektriese en magnetiese velde beheer word.

Daarom, in sy mees algemene vorm, is 'n termonukleêre reaktor 'n plasmaklont wat in geleiers en magnete vasgevang is. Hulle verhoed dat die plasma ontsnap, en terwyl hulle dit doen, smelt atoomkerne binne die plasma saam, waardeur energie vrygestel word. Hierdie energie moet uit die reaktor verwyder word, gebruik word om die koelmiddel te verhit – en elektrisiteit moet verkry word.

Lokvalle en lekkasies

Plasma het geblyk die mees wispelturige stof te wees wat mense op aarde moes trotseer. Elke keer as wetenskaplikes 'n manier gevind het om een soort plasmalek te blokkeer, is 'n nuwe een ontdek. Die hele tweede helfte van die 20ste eeu is spandeer om te leer om die plasma vir enige betekenisvolle tyd binne die reaktor te hou. Hierdie probleem het eers in ons dae begin oplewer, toe kragtige rekenaars verskyn het wat dit moontlik gemaak het om wiskundige modelle van plasmagedrag te skep.

Daar is steeds geen konsensus oor watter metode die beste is vir plasmabeperking nie. Die bekendste model, die tokamak, is 'n doughnut-vormige vakuumkamer (soos wiskundiges sê, 'n torus) met plasma-valle binne en buite. Hierdie opset sal die grootste en duurste termonukleêre installasie in die wêreld hê - die ITER-reaktor wat tans in die suide van Frankryk gebou word.

ITER
ITER

Benewens die tokamak, is daar baie moontlike konfigurasies van termonukleêre reaktore: sferiese, soos in die St. Petersburg Globus-M, bisarre geboë sterrestelsels (soos die Wendelstein 7-X by die Max Planck Instituut vir Kernfisika in Duitsland), laser traagheidsvalle, soos die Amerikaanse NIF. Hulle kry baie minder media-aandag as ITER, maar hulle het ook hoë verwagtinge.

Daar is wetenskaplikes wat die ontwerp van die stellarator beskou as fundamenteel meer suksesvol as die tokamak: dit is goedkoper om te bou, en die plasma-opsluitingstyd beloof om baie meer te gee. Die wins in energie word verskaf deur die geometrie van die plasmaval self, wat 'n mens in staat stel om ontslae te raak van die parasitiese effekte en lekkasies wat inherent is aan die "donut". Die lasergepompte weergawe het ook sy voordele.

Die waterstofbrandstof daarin word deur laserpulse tot die vereiste temperatuur verhit, en die samesmeltingsreaksie begin byna onmiddellik. Plasma in sulke installasies word deur traagheid gehou en het nie tyd om te strooi nie - alles gebeur so vinnig.

Die hele wêreld

Alle termonukleêre reaktors wat vandag in die wêreld bestaan, is eksperimentele masjiene. Nie een van hulle word gebruik om elektrisiteit op te wek nie. Niemand het nog daarin geslaag om aan die hoofkriterium vir 'n termonukleêre reaksie (Lawson se kriterium) te voldoen nie: om meer energie te kry as wat spandeer is om die reaksie te skep. Daarom het die wêreldgemeenskap op die reusagtige ITER-projek gefokus. As daar by ITER aan die Lawson-kriterium voldoen word, sal dit moontlik wees om die tegnologie te verfyn en na kommersiële spoorlyne te probeer oordra.

Geen land in die wêreld kon ITER alleen bou nie. Dit benodig 100 duisend km se supergeleidende drade alleen, en ook dosyne supergeleidende magnete en 'n reuse sentrale solenoïde om plasma vas te hou, 'n stelsel om 'n hoë vakuum in 'n ring te skep, heliumverkoelers vir magnete, beheerders, elektronika … Daarom is die projek bou 35 lande en meer gelyktydig duisende wetenskaplike institute en fabrieke.

ITER
ITER

Rusland is een van die hooflande wat aan die projek deelneem; in Rusland word 25 tegnologiese stelsels van die toekomstige reaktor ontwerp en gebou. Dit is supergeleiers, stelsels vir die meting van plasmaparameters, outomatiese beheerders en komponente van die afleier, die warmste deel van die binnewand van die tokamak.

Na die bekendstelling van ITER sal Russiese wetenskaplikes toegang hê tot al sy eksperimentele data. Die eggo van ITER sal egter nie net in die wetenskap gevoel word nie: nou het daar in sommige streke produksiefasiliteite verskyn wat nie voorheen in Rusland bestaan het nie. Byvoorbeeld, voor die aanvang van die projek was daar geen industriële produksie van supergeleidende materiale in ons land nie, en slegs 15 ton per jaar is oor die hele wêreld geproduseer. Nou, slegs by die Chepetsk Meganiese Plant van die staatskorporasie "Rosatom" is dit moontlik om 60 ton per jaar te produseer.

Die toekoms van energie en verder

Die eerste plasma by ITER word beplan om in 2025 ontvang te word. Die hele wêreld wag vir hierdie gebeurtenis. Maar een, selfs die kragtigste, masjien is nie al nie. Regoor die wêreld en in Rusland gaan hulle voort om nuwe termonukleêre reaktors te bou, wat sal help om uiteindelik die gedrag van plasma te verstaan en die beste manier te vind om dit te gebruik.

Reeds aan die einde van 2020 gaan die Kurchatov-instituut 'n nuwe tokamak T-15MD bekendstel, wat deel sal word van 'n hibriede installasie met kern- en termonukleêre elemente. Die neutrone, wat in die termonukleêre reaksiesone gevorm word, in die hibriede installasie sal gebruik word om die splyting van swaar kerne - uraan en torium - te begin. Sulke hibriede masjiene kan in die toekoms gebruik word om brandstof vir konvensionele kernreaktors te vervaardig – beide termiese en vinnige neutrone.

Torium redding

Veral aanloklik is die vooruitsig om 'n termonukleêre "kern" as 'n bron van neutrone te gebruik om verval in toriumkerne te inisieer. Daar is meer torium op die planeet as uraan, en die gebruik daarvan as 'n kernbrandstof los verskeie probleme van moderne kernkrag op een slag op.

Die vervalprodukte van torium kan dus nie gebruik word om militêre radioaktiewe materiale te vervaardig nie. Die moontlikheid van sulke gebruik dien as 'n politieke faktor wat klein lande daarvan weerhou om hul eie kernenergie te ontwikkel. Toriumbrandstof los hierdie probleem eens en vir altyd op.

Plasma lokvalle kan nuttig wees nie net in energie nie, maar ook in ander vreedsame nywerhede - selfs in die ruimte. Nou werk Rosatom en die Kurchatov-instituut aan komponente vir 'n elektrodelose plasma-vuurpylenjin vir ruimtetuie en stelsels vir plasmamodifikasie van materiale. Rusland se deelname aan die ITER-projek spoor die bedryf aan, wat lei tot die skepping van nuwe nywerhede, wat reeds die basis vorm vir nuwe Russiese ontwikkelings.

Aanbeveel: