Termoyadro energiyasining kelajagi bormi?

2024 Muallif: Seth Attwood | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2023-12-16 16:19

Yarim asrdan ko'proq vaqt davomida olimlar Yerda xuddi yulduzlarning ichaklarida bo'lgani kabi, termoyadro reaktsiyasi sodir bo'ladigan mashinani yaratishga harakat qilishdi. Boshqariladigan termoyadro sintezi texnologiyasi insoniyatga toza energiyaning deyarli bitmas-tuganmas manbasini va'da qiladi. Sovet olimlari ushbu texnologiyaning kelib chiqishida edi - va hozir Rossiya dunyodagi eng katta termoyadroviy reaktorni qurishda yordam bermoqda.

Atom yadrosining qismlari katta kuch bilan bir-biriga bog'langan. Uni ozod qilishning ikki yo'li mavjud. Birinchi usul - davriy sistemaning eng chekkasidagi yirik og'ir yadrolarning bo'linish energiyasidan foydalanish: uran, plutoniy. Erdagi barcha atom elektr stantsiyalarida energiya manbai aynan og'ir yadrolarning parchalanishi hisoblanadi.

Ammo atom energiyasini chiqarishning ikkinchi usuli ham bor: bo'linish emas, aksincha, yadrolarni birlashtirish. Birlashganda ularning ba'zilari parchalanadigan uran yadrolaridan ham ko'proq energiya chiqaradi. Yadro qanchalik engil bo'lsa, sintez paytida (ular aytganidek, sintez) shunchalik ko'p energiya ajralib chiqadi, shuning uchun yadro sintezi energiyasini olishning eng samarali usuli bu eng engil element - vodorod yadrolarini va uning izotoplarini birlashtirishga majbur qilishdir..

Qo'l yulduzi: kuchli professionallar

Yadro sintezi 1930-yillarda yulduzlarning ichki qismida sodir boʻlayotgan jarayonlarni oʻrganish natijasida kashf etilgan. Ma'lum bo'lishicha, yadro sintezi reaktsiyalari har bir quyosh ichida sodir bo'ladi va yorug'lik va issiqlik uning mahsulotidir. Bu aniq bo'lishi bilanoq, olimlar Yerdagi Quyoshning ichaklarida sodir bo'layotgan narsalarni qanday takrorlash haqida o'ylashdi. Barcha ma'lum energiya manbalari bilan solishtirganda, "qo'l quyoshi" bir qator shubhasiz afzalliklarga ega.

Birinchidan, oddiy vodorod uning yoqilg'isi bo'lib xizmat qiladi, uning zahiralari Yerda minglab yillar davom etadi. Reaksiya uchun eng keng tarqalgan izotop - deyteriy talab qilinmasligini hisobga olsak ham, kichik shaharchani bir hafta davomida elektr energiyasi bilan ta'minlash uchun bir stakan suv kifoya qiladi. Ikkinchidan, uglevodorodlarning yonishidan farqli o'laroq, yadroviy sintez reaktsiyasi zaharli mahsulotlarni hosil qilmaydi - faqat neytral gaz geliy.

Termoyadroviy energiyaning afzalliklari

Deyarli cheksiz yoqilg'i ta'minoti. Termoyadroviy reaktorda vodorod izotoplari - deyteriy va tritiy - yoqilg'i sifatida ishlaydi; geliy-3 izotopidan ham foydalanishingiz mumkin. Dengiz suvida juda ko'p deyteriy mavjud - uni an'anaviy elektroliz orqali olish mumkin va uning Jahon okeanidagi zahiralari insoniyatning energiyaga bo'lgan hozirgi talabida taxminan 300 million yil davom etadi.

Tabiatda tritiy ancha kam, u yadroviy reaktorlarda sun'iy ravishda ishlab chiqariladi - ammo termoyadro reaktsiyasi uchun juda oz narsa kerak bo'ladi. Yerda geliy-3 deyarli yo'q, ammo oy tuprog'ida juda ko'p. Qachondir bizda termoyadro quvvati bo'lsa, ehtimol, buning uchun yoqilg'i sifatida Oyga uchish mumkin bo'ladi.

Portlashlar yo'q. Termoyadro reaktsiyasini yaratish va uni saqlab turish uchun juda ko'p energiya kerak bo'ladi. Energiya ta'minoti to'xtashi bilan reaksiya to'xtaydi va yuzlab million darajagacha qizdirilgan plazma mavjud bo'lishni to'xtatadi. Shuning uchun termoyadroviy reaktorni o'chirishdan ko'ra yoqish qiyinroq.

Kam radioaktivlik. Termoyadro reaksiyasi magnit tuzoqdan chiqariladigan va vakuum kamerasi devorlariga yotqizilgan neytronlar oqimini hosil qiladi va bu uni radioaktiv qiladi. Plazma perimetri atrofida neytronlarni sekinlashtiruvchi maxsus "adyol" (adyol) yaratish orqali reaktor atrofidagi bo'shliqni to'liq himoya qilish mumkin. Vaqt o'tishi bilan adyolning o'zi muqarrar ravishda radioaktiv bo'ladi, lekin uzoq vaqt emas. 20-30 yil davomida dam olishga ruxsat berib, siz yana tabiiy radiatsiya fonida material olishingiz mumkin.

Yoqilg'i oqmaydi. Har doim yonilg'i oqishi xavfi mavjud, ammo termoyadroviy reaktor juda kam yoqilg'i talab qiladi, hatto to'liq oqish ham atrof-muhitga tahdid solmaydi. Masalan, ITERni ishga tushirish uchun atigi 3 kg tritiy va biroz ko'proq deyteriy kerak bo'ladi. Hatto eng yomon stsenariyda ham bu miqdordagi radioaktiv izotoplar suv va havoda tezda tarqalib ketadi va hech kimga zarar etkazmaydi.

Qurol yo'q. Termoyadroviy reaktor atom qurolini yaratish uchun ishlatilishi mumkin bo'lgan moddalarni ishlab chiqarmaydi. Shuning uchun termoyadro energiyasining tarqalishi yadro poygasiga olib kelishi xavfi yo'q.

"Sun'iy quyosh" ni qanday yoqish kerakligi, umuman olganda, o'tgan asrning 50-yillarida aniq bo'ldi. Okeanning har ikki tomonida boshqariladigan yadro sintezi reaksiyasining asosiy parametrlarini belgilovchi hisob-kitoblar amalga oshirildi. Bu yuzlab million darajali ulkan haroratda sodir bo'lishi kerak: bunday sharoitda elektronlar yadrolaridan uzilib qoladi. Shuning uchun bu reaksiya termoyadro sintezi deb ham ataladi. Yalang'och yadrolar, bir-biri bilan eng yuqori tezlikda to'qnashib, Coulomb itarishini engib, birlashadi.

Muammolar va yechimlar

Birinchi o'n yilliklardagi ishtiyoq vazifaning aql bovar qilmaydigan murakkabligiga tushib ketdi. Termoyadroviy sintezni ishga tushirish nisbatan oson bo'lib chiqdi - agar portlash shaklida amalga oshirilsa. Tinch okeanining atolllari va Semipalatinsk va Novaya Zemlyadagi Sovet poligonlari urushdan keyingi birinchi o'n yillikdayoq termoyadroviy reaktsiyaning to'liq quvvatini boshdan kechirdi.

Ammo bu kuchdan foydalanish, halokatdan tashqari, termoyadro zaryadini portlatishdan ko'ra ancha qiyin. Elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun termoyadro energiyasidan foydalanish uchun reaktsiya boshqariladigan tarzda amalga oshirilishi kerak, shunda energiya kichik qismlarda chiqariladi.

Buni qanday qilish kerak? Termoyadro reaktsiyasi sodir bo'ladigan muhit plazma deb ataladi. U gazga o'xshaydi, oddiy gazdan farqli o'laroq, u zaryadlangan zarralardan iborat. Zaryadlangan zarrachalarning harakatini esa elektr va magnit maydonlar yordamida boshqarish mumkin.

Shuning uchun termoyadroviy reaktor o'zining eng umumiy ko'rinishida o'tkazgichlar va magnitlarda tiqilib qolgan plazma trombidir. Ular plazmaning chiqib ketishiga yo'l qo'ymaydilar va ular buni amalga oshirayotganda plazma ichida atom yadrolari birlashadi, buning natijasida energiya ajralib chiqadi. Bu energiyani reaktordan olib tashlash, sovutish suvini isitish uchun ishlatish va elektr energiyasini olish kerak.

Qopqonlar va oqmalar

Plazma Yerdagi odamlar duch keladigan eng injiq moddaga aylandi. Har safar olimlar plazma oqishining bir turini blokirovka qilish yo'lini topganlarida, yangisini topdilar. 20-asrning butun ikkinchi yarmi plazmani har qanday muhim vaqt davomida reaktor ichida saqlashni o'rganishga sarflandi. Bu muammo faqat plazma harakatining matematik modellarini yaratishga imkon beradigan kuchli kompyuterlar paydo bo'lgan kunlarda paydo bo'ldi.

Plazma qamoqqa olish uchun qaysi usul eng yaxshi ekanligi haqida hali ham konsensus yo'q. Eng mashhur model, tokamak - bu donut shaklidagi vakuum kamerasi (matematiklar aytganidek, torus) ichida va tashqarisida plazma tuzoqlari mavjud. Ushbu konfiguratsiya dunyodagi eng katta va eng qimmat termoyadro qurilmasiga ega bo'ladi - hozirda Frantsiya janubida qurilayotgan ITER reaktori.

Tokamakdan tashqari, termoyadro reaktorlarining ko'plab mumkin bo'lgan konfiguratsiyasi mavjud: sferik, Sankt-Peterburgdagi Globus-Mda bo'lgani kabi, g'alati qiyshiq yulduzlar (Germaniyadagi Maks Plank yadro fizikasi institutidagi Vendelshteyn 7-X kabi), lazer. Amerika NIF kabi inertial tuzoqlar. Ular ITERga qaraganda kamroq ommaviy axborot vositalariga e'tibor berishadi, lekin ular ham katta umidlarga ega.

Olimlar yulduzchaning dizayni tokamakdan ko'ra tubdan muvaffaqiyatliroq deb hisoblaydilar: uni qurish arzonroq va plazma bilan qamash vaqti ko'proq narsani va'da qiladi. Energiyaning ortishi plazma tuzog'ining geometriyasi bilan ta'minlanadi, bu esa "donut" ga xos bo'lgan parazitar ta'sirlardan va oqishlardan xalos bo'lishga imkon beradi. Lazerli nasosli versiya ham o'zining afzalliklariga ega.

Ulardagi vodorod yoqilg'isi lazer impulslari bilan kerakli haroratgacha isitiladi va termoyadroviy reaktsiya deyarli bir zumda boshlanadi. Bunday qurilmalarda plazma inertiya bilan ushlab turiladi va tarqalishga vaqt topa olmaydi - hamma narsa juda tez sodir bo'ladi.

Butun dunyo

Bugungi kunda dunyoda mavjud bo'lgan barcha termoyadro reaktorlari eksperimental mashinalardir. Ularning hech biri elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun ishlatilmaydi. Hech kim termoyadroviy reaktsiyaning asosiy mezonini (Louson mezoni) bajara olmadi: reaktsiyani yaratishga sarflanganidan ko'ra ko'proq energiya olish. Shu bois jahon hamjamiyatining asosiy e’tibori ulkan ITER loyihasiga qaratildi. Agar ITERda Lawson mezoni bajarilsa, texnologiyani takomillashtirish va uni tijorat relslariga o'tkazishga harakat qilish mumkin bo'ladi.

Dunyoning hech bir davlati ITERni yolg'iz o'zi qura olmadi. Faqatgina 100 ming km o'ta o'tkazuvchan simlar, shuningdek, plazmani ushlab turish uchun o'nlab o'ta o'tkazuvchan magnitlar va ulkan markaziy solenoid, halqada yuqori vakuum yaratish tizimi, magnitlar uchun geliy sovutgichlari, kontrollerlar, elektronika kerak … Shuning uchun Loyiha bir vaqtning o'zida 35 va undan ortiq mamlakatlarda minglab ilmiy institutlar va fabrikalarni qurmoqda.

Rossiya loyihada ishtirok etuvchi asosiy davlatlardan biri; Rossiyada kelajakdagi reaktorning 25 ta texnologik tizimlari loyihalashtirilmoqda va qurilmoqda. Bular supero'tkazgichlar, plazma parametrlarini o'lchash tizimlari, avtomatik boshqaruvchilar va divertorning tarkibiy qismlari, tokamakning ichki devorining eng issiq qismi.

ITER ishga tushirilgandan so'ng, rossiyalik olimlar uning barcha eksperimental ma'lumotlariga kirish huquqiga ega bo'ladilar. Biroq, ITER aks-sadosi nafaqat fanda seziladi: endi ba'zi hududlarda Rossiyada ilgari bo'lmagan ishlab chiqarish quvvatlari paydo bo'ldi. Masalan, loyiha ishga tushgunga qadar mamlakatimizda o‘ta o‘tkazuvchan materiallarni sanoatda ishlab chiqarish yo‘q edi va butun dunyoda yiliga atigi 15 tonna ishlab chiqarilar edi. Endilikda faqat “Rosatom” davlat korporatsiyasining Chepetsk mexanika zavodida yiliga 60 tonna ishlab chiqarish mumkin.

Energiya kelajagi va undan tashqari

ITERda birinchi plazma 2025 yilda olinishi rejalashtirilgan. Butun dunyo bu voqeani kutmoqda. Ammo bitta, hatto eng kuchli mashina ham hammasi emas. Butun dunyoda va Rossiyada ular yangi termoyadro reaktorlarini qurishni davom ettirmoqdalar, bu esa oxir-oqibat plazmaning harakatini tushunishga va undan foydalanishning eng yaxshi usulini topishga yordam beradi.

2020 yil oxirida Kurchatov instituti yadroviy va termoyadroviy elementlarga ega gibrid qurilmaning bir qismiga aylanadigan yangi tokamak T-15MD ni ishga tushirmoqchi. Gibrid o'rnatishda termoyadroviy reaksiya zonasida hosil bo'lgan neytronlar og'ir yadrolar - uran va toriyning bo'linishini boshlash uchun ishlatiladi. Kelajakda bunday gibrid mashinalar an'anaviy yadro reaktorlari uchun yoqilg'i ishlab chiqarish uchun ishlatilishi mumkin - termal va tez neytronlar.

Toriyni qutqarish

Toriy yadrolarida parchalanishni boshlash uchun neytronlar manbai sifatida termoyadroviy "yadro" dan foydalanish istiqboli ayniqsa jozibali. Sayyorada urandan ko'ra ko'proq toriy mavjud va uni yadro yoqilg'isi sifatida ishlatish bir vaqtning o'zida zamonaviy atom energiyasining bir nechta muammolarini hal qiladi.

Shunday qilib, toriyning parchalanish mahsulotlari harbiy radioaktiv materiallarni ishlab chiqarish uchun ishlatilmaydi. Bunday foydalanish imkoniyati kichik davlatlarni o'z atom energetikasini rivojlantirishdan to'xtatuvchi siyosiy omil bo'lib xizmat qiladi. Toriy yoqilg'isi bu muammoni bir marta va butunlay hal qiladi.

Plazma tuzoqlari nafaqat energetikada, balki boshqa tinch sohalarda - hatto kosmosda ham foydali bo'lishi mumkin. Hozirda Rosatom va Kurchatov instituti kosmik kemalar uchun elektrodsiz plazma raketa dvigateli komponentlari va materiallarni plazma bilan modifikatsiyalash tizimlari ustida ishlamoqda. Rossiyaning ITER loyihasidagi ishtiroki sanoatni rag'batlantiradi, bu esa Rossiyaning yangi ishlanmalari uchun asos bo'lgan yangi sanoat tarmoqlarini yaratishga olib keladi.