Получение термоядерной энергии синтезом в реакторе легких элементов

Когда атом расщепляется на две части, либо путем естественного распада, либо при возбуждении он высвобождает энергию. Этот процесс известен как ядерное деление обладающее большим потенциалом и потребление энергии такого типа сейчас в мире относительно велико. Ядерное деление или распад с выделением энергии имеет ряд связанных проблем в области безопасности, охраны окружающей среды и политики, которые могут препятствовать использованию атомной энергии. Существует и термоядерная энергия выделяемая при помощи синтеза.

Термоядерный синтез – процесс соединения в реакторе легких ядер в большие с помощью теплового метода с положительным выходом энергии.

Определение деления

Атом содержит протоны и нейтроны в своем центральном ядре. При делении ядро расщепляется либо путем радиоактивного распада, либо из-за того, что оно подверглось бомбардировке другими субатомными частицами, известными как нейтрино. Полученные части имеют меньшую комбинированную массу, чем исходное ядро, при этом недостающая масса превращается в ядерную энергию. Контролируемое деление происходит, когда очень легкий нейтрино бомбардирует ядро атома, разбивая его на два меньших, похожих по размеру ядра. Разрушение высвобождает значительное количество энергии — в 200 раз больше энергии нейтронов, которые начали процедуру — а также высвобождает по крайней мере еще два нейтрино.

Контролируемые реакции такого рода используются для высвобождения энергии на атомных электростанциях. Неконтролируемые реакции используются в ядерном оружии.

Радиоактивное деление, где центр тяжелого элемента самопроизвольно испускает заряженную частицу, когда распадается на меньшее ядро, происходит только с тяжелыми элементами.

Разделение отличается от процесса слияния, когда два ядра соединяются друг с другом, а не разделяются друг от друга. Слияние под воздействием температуры – термоядерный синтез.

Открытие атомной энергии

Отто Хан

Отто Хан

В 1938 году немецкие физики Отто Хан и Фриц Штрассман бомбардировали атом урана нейтронами в попытке образовать тяжелые элементы. Но ядро урана распалось на более лёгкие элементы барий и криптон, что значительно меньше, чем уран. Ученые озадачились неожиданными результатами так как открыли расщепление ядра.

Австрийский физик Лиза Мейтнер, бежавшая в Швецию после вторжения Гитлера в ее страну, поняла, что расщепление ядра также освобождает энергию. Работая над этой проблемой, она установила, что деление дает минимум два нейтрона. В конечном счете, другие физики поняли, что каждый вновь освобожденный нейтрон может продолжать вызывать две отдельные реакции, каждая из которых может вызвать по крайней мере еще. Один удар может запустить цепную реакцию, управляя выпуском еще большей энергии.

Энергия и разрушение

В интеллектуальной цепной реакции ученые начали реализовывать возможности, существующие в новом открытии. В письме президенту США Франклину Рузвельту в начале Второй мировой войны, подготовленном венгерским физиком Лео Силардом и подписанном Альбертом Эйнштейном, отмечалось, что такие исследования могли быть использованы для создания бомбы эпических масштабов, и рассматривалась идея о том, что немцы могли достоверно изготовить и использовать такое оружие. Рузвельт выделил деньги на американские исследования и в 1941 году было образовано Управление научных исследований и разработок с целью применения исследований для национальной обороны.

В 1943 году армейская корпорация инженеров взяла на себя исследования по созданию ядерного оружия. Известный как “Манхэттенский проект”, сверхсекретные усилия привели к образованию первой атомной бомбы в июле 1945 года. Атомное оружие было использовано в рамках военного удара по городам Хиросима и Нагасаки в Японии.

С тех пор ядерные исследования считаются чрезвычайно чувствительными в политическом равновесии.

Чаще всего деление используется для генерации энергии на АЭС. Однако процесс создает значительное количество ядерных отходов, которые могут быть опасными для людей и окружающей среды. В то же время люди часто опасаются опасностей, которые могут возникнуть у атомных станций и не хотят, чтобы они находились на их территории. Такие вопросы означают, что ядерная энергия не столь популярна, как более традиционные методы получения энергии, такие как использование ископаемых видов топлива.

Международный термоядерный реактор

Международный термоядерный реактор

Строительство международного термоядерного реактора

Первый в мире атомный международный термоядерный реактор в настоящее время достиг 50-процентного завершения и по последней информации будет готов к 2025 году. Эта термоядерная электростанция строится на юге Франции. Управляемый термоядерный синтез не имеет военного применения поэтому привлекаются ученые многих стран.

Когда он заработает в экспериментальном термоядерном реакторе будет циркулировать плазма, что в 10 раз жарче, чем солнце в межзвездном пространстве.

Основная цель заставить атомы водорода генерировать в 10 раз больше энергии к 2030-м годам. В конечном счете термоядерная энергия призвана доказать, что сила слияния может генерироваться в коммерческих масштабах и является устойчивой, обильной, безопасной и чистой.

Концептуальный проект

Термоядерный синтез, та же реакция, которая происходит в центре Солнца, соединяются атомные ядра, чтобы сформировать более тяжелые ядра. Термоядерный синтез генерирует гораздо больше поток энергии, чем сжигание ископаемого топлива.

Например, в количестве атомов водорода размером с ананас находится столько же энергии, сколько в 10 000 тонн угля, в соответствии с заявлением по проекту международного термоядерного реактора.

В отличие от ядерного деления которое разбивает большие атомы на более мелкие этот термоядерный реактор не будет производить высокий уровень радиоактивных отходов. И в отличие от установок по производству ископаемого топлива, термоядерная энергия слияния не генерирует парниковых газов, углекислого газа или других загрязнителей.

ядерное деление

Ядерное деление

В термоядерном реакторе выделяется энергия при синтезе лёгких ядер (водорода, гелия и лития). Чтоб два ядра водорода (на практике – дейтерия и/или трития, то есть изотопов водорода) сошлись на достаточно близкое расстояние, чтобы преодолеть кулоновское отталкивание одноименно заряженных ядер, необходимо создать либо огромное давление, либо крайне высокую температуру.

В термоядерном реакторе нет ничего самопроизвольного, поэтому он безопаснее.  Любое неконтролируемое повреждение и исчезают условия, необходимые для термоядерного синтеза.

термоядерная энергия

Термоядерный синтез

Атомный термоядерный реактор использует сверхпроводящие магниты для плавления атомов водорода и получения большого количества тепла. Будущие атомные термоядерные электростанции могут затем использовать эту теплоту для привода турбин и выработки электроэнергии.

Экспериментальный реактор не будет использовать обычные атомы водорода, ядра которых состоят из одного протона. Вместо этого он будет взрывать дейтерий, ядра которого имеют один протон и один нейтрон, с тритием, ядра которых имеют один протон и два нейтрона. Дейтерий легко извлекается из морской воды, а тритий будет сгенерирован внутри термоядерного реактора. Поставки этих видов топлива достаточно велики, достаточно на миллионы лет при нынешнем глобальном потреблении энергии.

И в отличие от реакторов деления, термоядерное синтезирование является очень безопасным: если реакции термоядерного синтеза нарушаются в пределах завода по термоядерному синтезу, термоядерные реакторы просто отключаются безопасно и без необходимости внешней помощи, отметил проект ITER. Теоретически, плавильные установки также используют только несколько граммов топлива одновременно, поэтому нет возможности аварии расплава.

Проблема управляемых термоядерных реакций

Хотя энергия слияния имеет много потенциальных преимуществ, она оказалась чрезвычайно трудной для достижения на Земле. Атомные ядра требуют огромного количества тепла и давления, прежде чем они объединятся.

Чтобы преодолеть эту огромную проблему необходимо нагревать водород примерно до 150 миллионов градусов по Цельсию что, в 10 раз жарче, чем ядро Солнца. Эта перегретая плазма водорода будет ограничена и распространяется внутри в форме под названием токамак, который находится в окружении гигантских сверхпроводящих магнитов, которые управляют электрически заряженной плазмой. Для того, чтобы сверхпроводящие магниты функционировали, их необходимо охлаждать до минус 269 градусов C, также холодно как и в межзвездном пространстве.

Промышленные объекты по всему миру производят 10 миллионов комплектующих для реактора. Реактор часто упоминается как самое сложное инженерное сооружение. Например, магниты высотой более 17 метров должны быть установлены вместе с погрешностью менее 1 миллиметра.

Охлаждение 10 000 тонн сверхпроводящего материала магнита до минус 269 градусов беспрецедентно по масштабу.

ИТЭР международный термоядерный экспериментальный реактор

Научное партнерство из 35 стран строит ИТЭР на юге Франции. Все члены разделяют технологии и они получают равный доступ к интеллектуальной собственности и инновациям которые применяются.

Идея научного партнерства по строительству термоядерного завода была впервые задумана на Женевском саммите 1985 года между Рональдом Рейганом и Михаилом Горбачевым. Проект ИТЭР начался в 2007 году, и изначально должен быть завершиться в 10 лет за 5,6 миллиарда долларов. Однако проект более десяти лет отстает от графика, и его сметная стоимость взлетела примерно до 22 миллиардов долларов.

Риски ИТЭР

В настоящее время ИТЭР находится на полпути к своей первоначальной цели циркуляции плазмы.

Разработчики постоянно работают над прогнозированием и смягчением рисков, которые могут привести к дополнительным задержкам или затратам.

Конечной целью, конечно, является не просто циркулирующая плазма, но и плавление дейтерия и трития для создания “горящей” плазмы, которая генерирует значительно больше энергии, чем поступает в нее. Токамак ИТЭР должен генерировать 500 мегаватт электроэнергии, в то время как коммерческие термоядерные установки будут размещать более крупные реакторы, чтобы генерировать от 10 до 15 раз больше энергии. Согласно планам, 2000-мегаваттный термоядерный завод поставит 2 миллиона домов электричеством..

Если проект окажется успешным, ученые ИТЭР предсказывают, что термоядерные электростанции могут начать выходить в эксплуатацию уже к 2040 году по производству 2 гигаватт и более. Капитальные затраты на строительство АЭС должны быть аналогичны капитальным затратам нынешних АЭС ― около 5 миллиардов долларов за гигаватт. В то же время термоядерные электростанции просто используют дейтерий и тритий, и поэтому избегают “затрат на добычу и обогащение урана, или затрат на уход за радиоактивными отходами и их утилизацию.

Строительство атомной станции синтеза стоит больше, чем строительство станции ископаемого топлива. Цены на ископаемое топливо очень высоки, а расходы на топливо для синтеза незначительны, так что в течение срока службы электростанции расходы будут незначительны.

В то же время ископаемое топливо обходится дорого не только из-за финансовых значений. Огромные затраты на ископаемое топливо связаны с воздействием на окружающую среду, будь то из-за добычи полезных ископаемых, загрязнения окружающей среды или выброса парниковых газов. Синтез углерода – бесплатен.