Мазмуну:

Термоядролук энергиянын келечеги барбы?
Термоядролук энергиянын келечеги барбы?

Video: Термоядролук энергиянын келечеги барбы?

Video: Термоядролук энергиянын келечеги барбы?
Video: Гениальные изобретения Кулибина 2024, Март
Anonim

Жарым кылымдан ашык убакыттан бери окумуштуулар Жерде жылдыздардын ичегисиндей термоядролук реакция журуп жаткан машинаны курууга аракеттенип жатышат. Башкарылуучу термоядролук синтездин технологиясы адамзатка таза энергиянын дээрлик түгөнгүс булагын убада кылат. Советтик окумуштуулар бул технологиянын башталышында болушкан – азыр Россия дүйнөдөгү эң чоң синтез реакторун курууга жардам берип жатат.

Атомдун ядросунун бөлүктөрү чоң күч менен чогуу кармалат. Аны чыгаруунун эки жолу бар. Биринчи ыкма мезгилдик системанын эң алыс четиндеги ири оор ядролордун бөлүнүү энергиясын колдонуу: уран, плутоний. Жердеги бардык атомдук электр станцияларында энергиянын булагы так оор ядролордун чири-ши болуп саналат.

Бирок атомдун энергиясын бөлүп чыгаруунун экинчи жолу да бар: бөлүү эмес, тескерисинче, ядролорду бириктирүү. Биригүү учурунда алардын айрымдары бөлүнүүчү уран ядросунан да көбүрөөк энергия бөлүп чыгарышат. Ядро канчалык жеңил болсо, синтез учурунда (алар айткандай, синтез) ошончолук көп энергия бөлүнүп чыгат, ошондуктан ядролук синтездин энергиясын алуунун эң эффективдүү жолу эң жеңил элементтин – суутектин ядролорун жана анын изотопторун бириктирүүгө мажбурлоо болуп саналат..

Кол жылдыз: катуу профессионалдар

Ядролук синтез 1930-жылдары жылдыздардын ички бөлүгүндө болуп жаткан процесстерди изилдөө аркылуу ачылган. Ар бир күндүн ичинде ядролук синтез реакциялары жүрүп, жарык жана жылуулук анын продуктулары экени белгилүү болду. Бул айкын болоору менен окумуштуулар Жерде Күндүн ичегисинде болуп жаткан окуяларды кантип кайталоону ойлонушту. Белгилүү болгон бардык энергия булактарына салыштырмалуу "кол күн" бир катар талашсыз артыкчылыктарга ээ.

Биринчиден, кадимки суутек анын отун катары кызмат кылат, анын запастары жер бетинде миңдеген жылдарга созулат. Реакция үчүн эң кеңири таралган изотоп, дейтерий талап кылынбаганын эске алганда да, кичинекей шаарды бир жума бою электр энергиясы менен камсыз кылуу үчүн бир стакан суу жетиштүү. Экинчиден, углеводороддун күйүүсүнөн айырмаланып, ядролук синтез реакциясы уулуу продуктуларды чыгарбайт - бир гана нейтралдуу газ гелий.

синтез энергиясынын жакшы жактары

Дээрлик чексиз күйүүчү май менен камсыз кылуу. Термоядролук реактордо отун катары суутек изотоптору - дейтерий жана тритий иштейт; ошондой эле гелий-3 изотопун колдоно аласыз. Дейтерий деңиз суусунда көп - аны кадимки электролиз менен алууга болот жана анын запасы дүйнөлүк океандагы адамзаттын энергияга болгон азыркы талабы боюнча 300 миллион жылга жакын созулат.

Жаратылышта тритий алда канча аз, ал ядролук реакторлордо жасалма жол менен өндүрүлөт – бирок термоядролук реакция үчүн өтө аз керектелет. Жерде гелий-3 дээрлик жок, бирок Айдын топурагында көп нерсе бар. Эгер бизде качандыр бир убакта термоядролук кубаттуулук болсо, балким, ал үчүн отун үчүн Айга учуп кетүүгө болот.

Жарылуулар жок. Термоядролук реакцияны түзүү жана колдоо үчүн көп энергия талап кылынат. Энергия менен камсыздоо токтоору менен реакция токтойт жана жүз миллиондогон градуска чейин ысытылган плазма өз жашоосун токтотот. Ошондуктан, синтез реактору өчүрүлгөнгө караганда күйгүзүү кыйыныраак.

Төмөн радиоактивдүүлүк. Термоядролук реакциянын натыйжасында магниттик капкандан бөлүнүп чыккан жана вакуумдук камеранын дубалдарына топтолгон нейтрондор агымы пайда болуп, аны радиоактивдүү кылат. Плазманын периметри боюнча атайын «жууркан» (жасалма) түзүү, нейтрондорду басаңдатуу менен реактордун айланасындагы мейкиндикти толук коргоого болот. Жууркан өзү сөзсүз убакыттын өтүшү менен радиоактивдүү болуп калат, бирок көпкө эмес. Ал 20-30 жыл тыныгуу менен, сиз кайрадан табигый радиациялык фон менен материалды ала аласыз.

Күйүүчү май агып кетпейт. Күйүүчү майдын агып кетүү коркунучу ар дайым бар, бирок синтез реактору ушунчалык аз күйүүчү майды талап кылат, ал тургай толугу менен агып кетүү айлана-чөйрөгө коркунуч келтирбейт. Мисалы, ITERди ишке киргизүү үчүн болгону 3 кг тритий жана бир аз көбүрөөк дейтерий керектелет. Эң жаман сценарийде да мындай көлөмдөгү радиоактивдүү изотоптор сууда жана абада тез тарайт жана эч кимге эч кандай зыян келтирбейт.

Курал жок. Термоядролук реактор атомдук куралды жасоо үчүн колдонула турган заттарды чыгарбайт. Демек, термоядролук энергиянын таралышынын ядролук жарыша чыгуу коркунучу жок.

"Жасалма күндү" кантип жарыктандыруу керек, жалпысынан алганда, өткөн кылымдын 50-жылдарында эле белгилүү болду. Океандын эки тарабында башкарылуучу ядролук синтез реакциясынын негизги параметрлерин белгилеген эсептөөлөр жүргүзүлдү. Ал жүз миллиондогон градустук эбегейсиз чоң температурада болушу керек: мындай шарттарда электрондор өзөктөрүнөн үзүлүп кетет. Ошондуктан бул реакция термоядролук синтез деп да аталат. Жылаңач ядролор бири-бири менен катуу ылдамдыкта кагылышып, кулондук түртүүнү жеңип, биригишет.

Дүйнөдөгү биринчи токамак Т-1
Дүйнөдөгү биринчи токамак Т-1

Проблемалар жана чечимдер

Алгачкы ондогон жылдардагы энтузиазм иштин укмуштуудай татаалдыгына туш келди. Термоядролук синтезди учуруу салыштырмалуу жеңил болуп чыкты - эгерде жарылуу түрүндө жасалса. Тынч океандын атоллдору жана Семипалатинскидеги жана Новая Землядагы советтик полигондор согуштан кийинки биринчи он жылдыкта эле термоядролук реакциянын толук кучун баштан кечиришти.

Бирок бул күчтү колдонуу, жок кылууну кошпогондо, термоядролук зарядды жардырууга караганда алда канча кыйын. Электр энергиясын иштеп чыгуу үчүн термоядролук энергияны колдонуу үчүн реакция энергиянын кичинекей бөлүктөрү менен бөлүнүп чыгышы үчүн башкарылуучу түрдө жүргүзүлүшү керек.

Муну кандай жасаш керек? Термоядролук реакция жүрүп жаткан чөйрө плазма деп аталат. Ал газга окшош, кадимки газдан айырмаланып, заряддуу бөлүкчөлөрдөн турат. Ал эми заряддалган бөлүкчөлөрдүн жүрүм-турумун электрдик жана магниттик талаалар аркылуу башкарууга болот.

Ошондуктан, анын эң жалпы түрүндө, термоядролук реактор өткөргүчтөр менен магниттерде кармалып калган плазмалык уюган зат. Алар плазманын сыртка чыгышына тоскоол болушат жана муну жасаганда атомдук ядролор плазманын ичинде биригип, натыйжада энергия бөлүнүп чыгат. Бул энергияны реактордон алып салуу керек, муздаткычты жылытуу үчүн колдонулат - жана электр энергиясын алуу керек.

Тузактар жана агып чыгуулар

Плазма жер бетиндеги адамдар туш болгон эң каприздуу зат болуп чыкты. Окумуштуулар плазманын агып кетүүсүнүн бир түрүн бөгөттөөнүн жолун тапкан сайын, жаңысы ачылган. 20-кылымдын экинчи жарымы плазманы реактордун ичинде кандайдыр бир маанилүү убакытка чейин сактоону үйрөнүүгө жумшалды. Бул маселе биздин күндөрдө, плазманын жүрүм-турумунун математикалык моделдерин түзүүгө мүмкүндүк берген күчтүү компьютерлер пайда болгондо гана чыга баштады.

Плазмалык камоо үчүн кайсы ыкма эң жакшы экендиги боюнча азырынча консенсус жок. Эң атактуу модель токамак - бул пончик формасындагы вакуумдук камера (математиктер айткандай, торус) ичинде жана сыртында плазма капкандары бар. Бул конфигурацияда дүйнөдөгү эң ири жана эң кымбат термоядролук установка - Франциянын түштүгүндө учурда курулуп жаткан ITER реактору болот.

ITER
ITER

Токамактан тышкары термоядролук реакторлордун көптөгөн мүмкүн болгон конфигурациялары бар: сфералык, Петербургдагы Глобус-Мдегидей, таң калыштуу ийри жылдыздар (Германиядагы Макс Планк атындагы Ядролук физика институтундагы Wendelstein 7-X сыяктуу), лазердик Америкалык NIF сыяктуу инерциялык тузактар. Аларга ITERге караганда массалык маалымат каражаттары азыраак көңүл бурушат, бирок аларда чоң үмүт бар.

Стелларатордун дизайны токамакка караганда принципиалдуу түрдө ийгиликтүү деп эсептеген илимпоздор бар: аны куруу арзаныраак, ал эми плазмадан камоо убактысы алда канча көп нерсени берерин убада кылат. Энергиянын пайда болушу плазмалык капкандын геометриясы менен камсыз кылынат, бул "пончикке" мүнөздүү болгон мителик эффекттерден жана агып кетүүдөн арылууга мүмкүндүк берет. Лазердик насостук версиянын да артыкчылыктары бар.

Алардагы суутек отун лазердик импульстар аркылуу керектүү температурага чейин ысытылат жана синтез реакциясы дээрлик бир заматта башталат. Мындай орнотуулардагы плазма инерция менен кармалып, чачыраганга үлгүрбөйт - баары ушунчалык тез болот.

бүт дүйнө

Бүгүнкү күндө дүйнөдө бар бардык термоядролук реакторлор эксперименталдык машиналар. Алардын бири да электр энергиясын өндүрүүгө пайдаланылбайт. Азырынча эч кимиси термоядролук реакциянын негизги критерийин (Лоусондун критерийи) аткара алган жок: реакцияны түзүүгө жумшалгандан көбүрөөк энергия алуу. Ошондуктан дүйнөлүк коомчулуктун көңүлүн ири ITER долбооруна бурган. Эгерде Лоусон критерийи ITERде аткарылса, технологияны тактоо жана аны коммерциялык рельске өткөрүүгө аракет кылуу мүмкүн болот.

Дүйнөнүн бир дагы өлкөсү жалгыз ITERди кура албайт. Ал үчүн 100 миң км ашык өткөргүч зымдар, ошондой эле ондогон ашык өткөргүч магниттер жана плазманы кармоо үчүн ири борбордук соленоид, шакекчеде жогорку вакуумду түзүү системасы, магниттер үчүн гелий муздаткычтары, контроллерлор, электроника керек… Ошондуктан, Долбоор 35 мамлекетти жана бир эле учурда миңдеген илимий институттарды жана заводдорду куруп жатат.

ITER
ITER

Орусия долбоорго катышкан негизги өлкөлөрдүн бири; Россияда келечектеги реактордун 25 технологиялык системасы долбоорлонуп жана курулуп жатат. Бул супер өткөргүчтөр, плазманын параметрлерин өлчөө системалары, автоматтык контроллерлор жана дивертордун тетиктери, токамактын ички дубалынын эң ысык бөлүгү.

ITER ишке киргизилгенден кийин орус окумуштуулары анын бардык эксперименталдык маалыматтарына кире алышат. Бирок, ITERдин жаңырыгы илимде гана сезилет: азыр кээ бир аймактарда Россияда мурда жок болгон өндүрүш ишканалары пайда болду. Маселен, долбоор башталганга чейин биздин республикада ашыкча өткөргүч материалдарды өнөр жай өндүрүшү болгон эмес, ал эми дүйнө жүзү боюнча жылына 15 тонна гана өндүрүлүп турган. Азыр «Росатом» мамлекеттик корпорациясынын Чепецкидеги механикалык заводунда гана жылына 60 тонна продукция чыгарууга болот.

Энергетиканын келечеги жана андан тышкары

ITERде биринчи плазманы 2025-жылы кабыл алуу пландалууда. Бул окуяны бүткүл дүйнө күтүп жатат. Бирок бир, ал тургай эң күчтүү, машина баары эмес. Бүткүл дүйнөдө жана Россияда алар плазманын жүрүм-турумун түшүнүүгө жана аны колдонуунун эң жакшы жолун табууга жардам бере турган жаңы термоядролук реакторлорду курууну улантышууда.

2020-жылдын аягында Курчатов институту ядролук жана термоядролук элементтери бар гибриддик түзүлүштүн бир бөлүгү болуп кала турган жаңы T-15MD токамакын ишке киргизгени жатат. Гибриддик установкада термоядролук реакция зонасында пайда болгон нейтрондор оор ядролордун - уран менен торийдин бөлүнүшүн баштоо үчүн колдонулат. Келечекте мындай гибриддик машиналар кадимки ядролук реакторлор үчүн отун өндүрүү үчүн колдонулушу мүмкүн - жылуулук да, тез нейтрондор да.

Торий куткаруу

Термоядролук «ядрону» нейтрондордун булагы катары торийдин ядролорунда ажыроону баштоо перспективасы езгече азгырып турат. Планетада уранга караганда торий көп жана аны өзөктүк отун катары колдонуу бир эле учурда азыркы атомдук энергетиканын бир нече маселелерин чечет.

Ошентип, торийдин ажыроо продуктыларын аскердик радиоактивдүү материалдарды алуу үчүн колдонууга болбойт. Мындай пайдалануу мүмкүнчүлүгү чакан өлкөлөрдү өз атомдук энергетикасын өнүктүрүүгө тоскоол болгон саясий фактор катары кызмат кылат. Торий отун бул маселени биротоло чечет.

Плазмалык капкандар энергетикада гана эмес, башка тынчтык тармактарда да – космосто да пайдалуу болушу мүмкүн. Азыр «Росатом» жана Курчатов институту космос кораблдери учун электродсуз плазма-ракеталык кыймылдаткычтын тетиктерин жана материалдарды плазма-лык модификациялоонун системаларын иштеп чыгууда. Россиянын ITER долбооруна катышуусу өнөр жайды стимулдайт, бул жаңы өндүрүштөрдү түзүүгө алып келет, алар жаңы россиялык иштеп чыгуулардын негизин түзүүдө.

Сунушталууда: