Термоядролық энергияның болашағы бар ма?

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2023-12-16 16:10

Ғалымдар жарты ғасырдан астам уақыт бойы Жерде жұлдыздардың ішектеріндегі сияқты термоядролық реакция жүретін машинаны құруға тырысты. Басқарылатын термоядролық синтез технологиясы адамзатқа таза энергияның сарқылмас дерлік көзін уәде етеді. Бұл технологияның бастауында кеңес ғалымдары болды - қазір Ресей әлемдегі ең үлкен синтездік реакторды салуға көмектесуде.

Атом ядросының бөліктері орасан зор күшпен бірге ұсталады. Оны босатудың екі жолы бар. Бірінші әдіс - периодтық жүйенің ең алыс шетіндегі ірі ауыр ядролардың бөліну энергиясын пайдалану: уран, плутоний. Жердегі барлық атом электр станцияларында энергия көзі дәл ауыр ядролардың ыдырауы болып табылады.

Бірақ атом энергиясын босатудың екінші жолы да бар: бөлу емес, керісінше, ядроларды біріктіру. Біріктіру кезінде олардың кейбіреулері ыдырайтын уран ядроларынан да көп энергия бөледі. Ядро неғұрлым жеңіл болса, синтез кезінде соғұрлым көп энергия бөлінеді (өздер айтқандай, синтез), сондықтан ядролық синтез энергиясын алудың ең тиімді жолы - ең жеңіл элемент - сутегінің ядроларын және оның изотоптарын біріктіруге мәжбүрлеу..

Қол жұлдызы: сенімді мамандар

Ядролық синтез 1930 жылдары жұлдыздардың ішкі қабаттарында болып жатқан процестерді зерттеу арқылы ашылды. Әрбір күннің ішінде ядролық синтез реакциялары жүретіні, жарық пен жылу оның өнімі екені белгілі болды. Бұл анық болғаннан кейін ғалымдар Жердегі Күннің ішектерінде болып жатқан нәрсені қалай қайталау туралы ойлады. Барлық белгілі энергия көздерімен салыстырғанда «қол күн» бірқатар даусыз артықшылықтарға ие.

Біріншіден, кәдімгі сутегі оның отыны ретінде қызмет етеді, оның жердегі қоры мыңдаған жылдарға созылады. Реакция үшін ең көп таралған изотоп, дейтерий қажет емес екенін ескерсек, шағын қаланы бір апта бойы электр қуатымен қамтамасыз ету үшін бір стақан су жеткілікті. Екіншіден, көмірсутектердің жануынан айырмашылығы, ядролық синтез реакциясы улы өнімдерді шығармайды - тек бейтарап газ гелийі.

Біріктіру энергиясының артықшылықтары

Шектеусіз дерлік отын қоры. Термоядролық реакторда сутегі изотоптары - дейтерий және тритий - отын ретінде жұмыс істейді; гелий-3 изотопын да қолдануға болады. Теңіз суында дейтерий өте көп – оны кәдімгі электролиз арқылы алуға болады, ал оның Дүниежүзілік мұхиттағы қоры адамзаттың энергияға қазіргі сұранысы кезінде шамамен 300 миллион жылға жетеді.

Табиғатта тритий әлдеқайда аз, ол ядролық реакторларда жасанды түрде өндіріледі - бірақ термоядролық реакция үшін өте аз қажет. Жерде гелий-3 дерлік жоқ, бірақ Ай топырағында көп. Бір күні бізде термоядролық қуат болса, оған отын алу үшін Айға ұшуға болатын шығар.

Жарылыстар жоқ. Термоядролық реакцияны құру және қолдау үшін көп энергия қажет. Энергиямен қамтамасыз ету тоқтаған бойда реакция тоқтап, жүздеген миллион градусқа дейін қызған плазма өмір сүруін тоқтатады. Сондықтан термоядролық реакторды өшіруден гөрі қосу қиынырақ.

Төмен радиоактивтілік. Термоядролық реакция магниттік тұзақтан шығарылатын және вакуумдық камераның қабырғаларына шөгетін нейтрондар ағынын тудырады, бұл оны радиоактивті етеді. Плазма периметрі бойынша нейтрондарды тежейтін арнайы «көрпе» (көрпе) жасау арқылы реактордың айналасындағы кеңістікті толығымен қорғауға болады. Көрпенің өзі уақыт өте келе сөзсіз радиоактивті болады, бірақ ұзақ емес. Оны 20-30 жыл демалуға рұқсат етсеңіз, сіз қайтадан табиғи радиациясы бар материалды ала аласыз.

Жанармай ағып кетпейді. Әрқашан жанармайдың ағып кету қаупі бар, бірақ термоядролық реактор өте аз отынды қажет етеді, тіпті толық ағып кету қоршаған ортаға қауіп төндірмейді. Мысалы, ITER-ді іске қосу үшін бар болғаны 3 кг тритий және одан да көп дейтерий қажет болады. Тіпті ең нашар сценарийде де радиоактивті изотоптардың бұл мөлшері суда және ауада тез таралады және ешкімге зиян тигізбейді.

Қару жоқ. Термоядролық реактор атом қаруын жасауға болатын заттарды шығармайды. Демек, термоядролық энергияның таралуы ядролық жарысқа алып келеді деген қауіп жоқ.

«Жасанды күнді» қалай жағу керек, жалпы алғанда, өткен ғасырдың елуінші жылдары белгілі болды. Мұхиттың екі жағында да басқарылатын ядролық синтез реакциясының негізгі параметрлерін белгілейтін есептеулер жүргізілді. Ол жүздеген миллион градустық орасан зор температурада өтуі керек: мұндай жағдайларда электрондар өз ядроларынан бөлініп шығады. Сондықтан бұл реакцияны термоядролық синтез деп те атайды. Жалаңаш ядролар бір-бірімен керемет жылдамдықпен соқтығысады, кулондық тебілуді жеңіп, біріктіріледі.

Мәселелер мен шешімдер

Алғашқы онжылдықтардағы ынта тапсырманың керемет күрделілігіне соқтығысты. Термоядролық синтезді іске қосу салыстырмалы түрде оңай болды - егер жарылыс түрінде жасалса. Тынық мұхиты атоллдары мен Семей мен Новая Землядағы кеңес полигондары соғыстан кейінгі бірінші онжылдықта-ақ термоядролық реакцияның толық күшін бастан кешірді.

Бірақ бұл қуатты пайдалану, жоюды қоспағанда, термоядролық зарядты жарудан әлдеқайда қиын. Электр энергиясын өндіру үшін термоядролық энергияны пайдалану үшін реакция энергия аз бөліктерде бөлінетіндей басқарылатын түрде жүргізілуі керек.

Бұны қалай істейді? Термоядролық реакция жүретін ортаны плазма деп атайды. Ол газға ұқсас, тек қалыпты газдан айырмашылығы ол зарядталған бөлшектерден тұрады. Ал зарядталған бөлшектердің әрекетін электрлік және магниттік өрістердің көмегімен басқаруға болады.

Сондықтан, оның ең жалпы түрінде термоядролық реактор өткізгіштер мен магниттерде ұсталған плазмалық тромб болып табылады. Олар плазманың сыртқа шығуын болдырмайды және бұл кезде атом ядролары плазманың ішінде біріктіріледі, нәтижесінде энергия бөлінеді. Бұл энергияны реактордан алып тастау керек, салқындатқышты қыздыру үшін пайдаланылады - және электр қуатын алу керек.

Тұзақтар мен ағып кетулер

Плазма жер бетіндегі адамдар бетпе-бет келуге мәжбүр болған ең капризді зат болып шықты. Ғалымдар плазма ағуының бір түрін блоктаудың жолын тапқан сайын жаңасы ашылды. 20 ғасырдың бүкіл екінші жартысы плазманы кез келген маңызды уақыт ішінде реактор ішінде ұстауды үйренуге жұмсалды. Бұл мәселе плазмалық мінез-құлықтың математикалық модельдерін жасауға мүмкіндік беретін қуатты компьютерлер пайда болған біздің күндерде ғана нәтиже бере бастады.

Қан плазмасын ұстаудың қай әдісі жақсы екендігі туралы әлі де консенсус жоқ. Ең танымал модель, токамак - бұл пончик тәрізді вакуумдық камера (математиктер айтқандай, торус) ішінде және сыртында плазмалық тұзақтар бар. Бұл конфигурацияда әлемдегі ең үлкен және ең қымбат термоядролық қондырғы - қазіргі уақытта Францияның оңтүстігінде салынып жатқан ITER реакторы болады.

Токамактан басқа термоядролық реакторлардың көптеген мүмкін конфигурациялары бар: сфералық, Санкт-Петербургтегі Globus-M-дегідей, таңқаларлық қисық жұлдызшалар (Германиядағы Макс Планк атындағы ядролық физика институтындағы Wendelstein 7-X сияқты), лазерлік американдық NIF сияқты инерциялық тұзақтар. Олар ITER-ге қарағанда бұқаралық ақпарат құралдарының назарын азырақ алады, бірақ олар да үлкен үміт күтеді.

Токамакқа қарағанда жұлдызды қондырғының дизайнын түбегейлі табысты деп санайтын ғалымдар бар: оны салу арзанырақ, ал плазмалық қамау уақыты әлдеқайда көп беруге уәде береді. Энергияның жоғарылауы плазмалық тұзақтың геометриясы арқылы қамтамасыз етіледі, бұл «пончикке» тән паразиттік әсерлерден және ағып кетуден құтылуға мүмкіндік береді. Лазерлік айдалатын нұсқаның да артықшылықтары бар.

Олардағы сутегі отыны лазерлік импульстар арқылы қажетті температураға дейін қызады және синтез реакциясы бірден басталады. Мұндай қондырғылардағы плазма инерциямен ұсталады және шашырап үлгермейді - бәрі соншалықты тез болады.

Бүкіл әлем

Қазіргі уақытта әлемде бар барлық термоядролық реакторлар тәжірибелік машиналар болып табылады. Олардың ешқайсысы электр энергиясын өндіруге пайдаланылмайды. Бірде-біреуі термоядролық реакцияның негізгі критерийін (Лоусон критерийі) орындай алмады: реакцияны құруға жұмсалған энергиядан көбірек энергия алу. Сондықтан әлемдік қауымдастық алып ITER жобасына назар аударды. Егер Лоусон критерийі ITER-де орындалса, технологияны жетілдіруге және оны коммерциялық рельстерге беруге тырысуға болады.

Әлемдегі бірде-бір мемлекет ITER-ді жалғыз құра алмайды. Ол үшін тек 100 мың км асқын өткізгіш сымдар, сонымен қатар ондаған асқын өткізгіш магниттер және плазманы ұстауға арналған алып орталық соленоид, сақинада жоғары вакуум жасау жүйесі, магниттерге арналған гелий салқындатқыштары, контроллерлер, электроника қажет … Сондықтан, Жоба 35 және одан да көп елде бірден мыңдаған ғылыми институттар мен зауыттарды салуда.

Ресей жобаға қатысатын негізгі елдердің бірі; Ресейде болашақ реактордың 25 технологиялық жүйесі жобаланып, салынуда. Бұл асқын өткізгіштер, плазмалық параметрлерді өлшеуге арналған жүйелер, автоматты реттегіштер және бұрғылауыштың құрамдас бөліктері, токамактың ішкі қабырғасының ең ыстық бөлігі.

ITER іске қосылғаннан кейін ресейлік ғалымдар оның барлық эксперименттік деректеріне қол жеткізе алады. Дегенмен, ITER жаңғырығы тек ғылымда ғана сезілмейді: қазір кейбір аймақтарда Ресейде бұрын болмаған өндіріс орындары пайда болды. Мысалы, жоба басталмай тұрып біздің елде асқын өткізгіш материалдардың өнеркәсіптік өндірісі болмаған, дүние жүзінде жылына небәрі 15 тонна ғана өндірілетін. Енді тек «Росатом» мемлекеттік корпорациясының Чепецк механикалық зауытында ғана жылына 60 тонна өнім шығаруға болады.

Энергияның болашағы және одан тыс

ITER-дегі алғашқы плазманы 2025 жылы алу жоспарлануда. Бұл оқиғаны бүкіл әлем күтіп отыр. Бірақ бір, тіпті ең қуатты, машина бәрі емес. Бүкіл әлемде және Ресейде олар плазманың мінез-құлқын түсінуге және оны пайдаланудың ең жақсы әдісін табуға көмектесетін жаңа термоядролық реакторларды салуды жалғастыруда.

2020 жылдың соңында Курчатов институты ядролық және термоядролық элементтері бар гибридті қондырғының бір бөлігі болатын жаңа токамак Т-15МД ұшағын іске қоспақ. Гибридті қондырғыда термоядролық реакция аймағында түзілетін нейтрондар ауыр ядролардың – уран мен торийдің бөлінуін бастау үшін пайдаланылады. Болашақта мұндай гибридті машиналарды кәдімгі ядролық реакторларға – жылулық та, жылдам нейтрондарға да отын өндіру үшін пайдалануға болады.

Торийді құтқару

Торий ядроларындағы ыдырауды бастау үшін нейтрондардың көзі ретінде термоядролық «ядроны» пайдаланудың болашағы ерекше қызықтырады. Жер бетінде ураннан да көп торий бар және оны ядролық отын ретінде пайдалану қазіргі заманғы атом энергетикасының бірнеше мәселелерін бірден шешеді.

Осылайша, торийдің ыдырау өнімдерін әскери радиоактивті материалдарды өндіруге пайдалануға болмайды. Мұндай пайдалану мүмкіндігі шағын елдерді өздерінің атом энергетикасын дамытудан сақтайтын саяси фактор ретінде қызмет етеді. Торий отыны бұл мәселені біржола шешеді.

Плазмалық тұзақтар тек энергетикада ғана емес, сонымен қатар басқа да бейбіт салаларда - тіпті ғарышта да пайдалы болуы мүмкін. Қазір «Росатом» мен Курчатов институты ғарыш аппараттарына арналған электродсыз плазмалық зымыран қозғалтқышының құрамдас бөліктерін және материалдарды плазмалық түрлендіру жүйелерін жасауда. Ресейдің ITER жобасына қатысуы өнеркәсіпті ынталандырады, бұл жаңа өндірістерді құруға әкеледі, олар қазірдің өзінде жаңа ресейлік әзірлемелер үшін негіз болып табылады.