Adakah tenaga termonuklear mempunyai masa depan?

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-16 16:12

Selama lebih daripada setengah abad, saintis telah cuba membina sebuah mesin di Bumi, di mana, seperti di dalam perut bintang, tindak balas termonuklear berlaku. Teknologi gabungan termonuklear terkawal menjanjikan kepada manusia sumber tenaga bersih yang hampir tidak habis-habis. Para saintis Soviet adalah asal usul teknologi ini - dan kini Rusia sedang membantu membina reaktor gabungan terbesar di dunia.

Bahagian-bahagian nukleus atom disatukan oleh daya yang sangat besar. Terdapat dua cara untuk melepaskannya. Kaedah pertama ialah menggunakan tenaga pembelahan nukleus berat yang besar dari hujung paling jauh jadual berkala: uranium, plutonium. Di semua loji tenaga nuklear di Bumi, sumber tenaga adalah tepatnya pereputan nukleus berat.

Tetapi terdapat juga cara kedua untuk melepaskan tenaga atom: bukan untuk membahagi, tetapi, sebaliknya, untuk menggabungkan nukleus. Apabila bergabung, sebahagian daripada mereka membebaskan lebih banyak tenaga daripada nukleus uranium fisil. Lebih ringan nukleus, lebih banyak tenaga akan dibebaskan semasa pelakuran (seperti yang mereka katakan, pelakuran), jadi cara paling berkesan untuk mendapatkan tenaga pelakuran nuklear adalah dengan memaksa nukleus unsur paling ringan - hidrogen - dan isotopnya bergabung..

Bintang tangan: kebaikan pepejal

Pelaburan nuklear ditemui pada tahun 1930-an dengan mengkaji proses yang berlaku di bahagian dalam bintang. Ternyata tindak balas pelakuran nuklear berlaku di dalam setiap matahari, dan cahaya dan haba adalah produknya. Sebaik sahaja ini menjadi jelas, saintis berfikir tentang bagaimana untuk mengulangi apa yang berlaku di dalam perut Matahari di Bumi. Berbanding dengan semua sumber tenaga yang diketahui, "matahari tangan" mempunyai beberapa kelebihan yang tidak dapat dipertikaikan.

Pertama, hidrogen biasa berfungsi sebagai bahan bakarnya, yang rizabnya di Bumi akan bertahan selama beribu-ribu tahun. Walaupun mengambil kira hakikat bahawa tindak balas itu tidak memerlukan isotop yang paling biasa, deuterium, segelas air sudah cukup untuk membekalkan sebuah bandar kecil dengan elektrik selama seminggu. Kedua, tidak seperti pembakaran hidrokarbon, tindak balas pelakuran nuklear tidak menghasilkan produk toksik - hanya helium gas neutral.

Kebaikan tenaga gabungan

Bekalan bahan api yang hampir tidak terhad. Dalam reaktor pelakuran, isotop hidrogen - deuterium dan tritium - berfungsi sebagai bahan api; anda juga boleh menggunakan isotop helium-3. Terdapat banyak deuterium dalam air laut - ia boleh diperolehi dengan elektrolisis konvensional, dan rizabnya di Lautan Dunia akan bertahan selama kira-kira 300 juta tahun mengikut permintaan semasa manusia untuk tenaga.

Terdapat lebih sedikit tritium dalam alam semula jadi, ia dihasilkan secara buatan dalam reaktor nuklear - tetapi sangat sedikit diperlukan untuk tindak balas termonuklear. Hampir tiada helium-3 di Bumi, tetapi terdapat banyak di dalam tanah bulan. Jika suatu hari nanti kita mempunyai kuasa termonuklear, mungkin akan dapat terbang ke bulan untuk bahan bakar untuknya.

Tiada letupan. Ia memerlukan banyak tenaga untuk mencipta dan mengekalkan tindak balas termonuklear. Sebaik sahaja bekalan tenaga berhenti, tindak balas berhenti, dan plasma yang dipanaskan hingga ratusan juta darjah tidak lagi wujud. Oleh itu, reaktor gabungan adalah lebih sukar untuk dihidupkan daripada dimatikan.

Keradioaktifan rendah. Tindak balas termonuklear menghasilkan fluks neutron yang dipancarkan daripada perangkap magnet dan dimendapkan pada dinding kebuk vakum, menjadikannya radioaktif. Dengan mencipta "selimut" (selimut) khas di sekeliling perimeter plasma, menyahpecutan neutron, adalah mungkin untuk melindungi sepenuhnya ruang di sekeliling reaktor. Selimut itu sendiri tidak dapat dielakkan menjadi radioaktif dari masa ke masa, tetapi tidak lama. Membiarkannya berehat selama 20-30 tahun, anda sekali lagi boleh mendapatkan bahan dengan sinaran latar belakang semula jadi.

Tiada kebocoran bahan api. Selalu ada risiko kebocoran bahan api, tetapi reaktor gabungan memerlukan bahan api yang sangat sedikit sehingga kebocoran sepenuhnya tidak mengancam alam sekitar. Melancarkan ITER, sebagai contoh, memerlukan hanya kira-kira 3 kg tritium dan lebih sedikit deuterium. Walaupun dalam senario terburuk, jumlah isotop radioaktif ini akan cepat hilang dalam air dan udara dan tidak mendatangkan mudarat kepada sesiapa pun.

Tiada senjata. Reaktor termonuklear tidak menghasilkan bahan yang boleh digunakan untuk membuat senjata atom. Oleh itu, tidak ada bahaya bahawa penyebaran tenaga termonuklear akan membawa kepada perlumbaan nuklear.

Bagaimana untuk menyalakan "matahari buatan", secara umum, ia menjadi jelas pada tahun lima puluhan abad yang lalu. Di kedua-dua belah lautan, pengiraan dilakukan yang menetapkan parameter utama tindak balas pelakuran nuklear terkawal. Ia sepatutnya berlaku pada suhu yang sangat besar iaitu ratusan juta darjah: dalam keadaan sedemikian, elektron tercabut dari nukleusnya. Oleh itu, tindak balas ini juga dipanggil gabungan termonuklear. Nukleus kosong, berlanggar antara satu sama lain pada kelajuan yang sangat pantas, mengatasi tolakan Coulomb dan bergabung.

Masalah dan penyelesaian

Keghairahan dekad pertama melanda kerumitan tugas yang luar biasa. Melancarkan gabungan termonuklear ternyata agak mudah - jika dilakukan dalam bentuk letupan. Atol Pasifik dan tapak ujian Soviet di Semipalatinsk dan Novaya Zemlya mengalami kuasa penuh tindak balas termonuklear sudah dalam dekad pertama selepas perang.

Tetapi menggunakan kuasa ini, kecuali untuk pemusnahan, adalah lebih sukar daripada meletupkan cas termonuklear. Untuk menggunakan tenaga termonuklear untuk menjana elektrik, tindak balas mesti dijalankan secara terkawal supaya tenaga dibebaskan dalam bahagian kecil.

Bagaimana hendak melakukannya? Persekitaran di mana tindak balas termonuklear berlaku dipanggil plasma. Ia serupa dengan gas, cuma tidak seperti gas biasa ia terdiri daripada zarah bercas. Dan kelakuan zarah bercas boleh dikawal menggunakan medan elektrik dan magnet.

Oleh itu, dalam bentuk yang paling umum, reaktor termonuklear ialah bekuan plasma yang terperangkap dalam konduktor dan magnet. Mereka menghalang plasma daripada melarikan diri, dan semasa mereka melakukan ini, nukleus atom bergabung di dalam plasma, akibatnya tenaga dibebaskan. Tenaga ini mesti dikeluarkan dari reaktor, digunakan untuk memanaskan penyejuk - dan elektrik mesti diperolehi.

Perangkap dan kebocoran

Plasma ternyata menjadi bahan yang paling berubah-ubah yang perlu dihadapi oleh manusia di Bumi. Setiap kali saintis menemui cara untuk menghalang satu jenis kebocoran plasma, yang baru ditemui. Seluruh separuh kedua abad ke-20 dibelanjakan untuk belajar menyimpan plasma di dalam reaktor untuk sebarang masa yang penting. Masalah ini mula membuahkan hasil hanya pada zaman kita, apabila komputer berkuasa muncul yang memungkinkan untuk mencipta model matematik tingkah laku plasma.

Masih tiada konsensus tentang kaedah mana yang terbaik untuk berpantang plasma. Model yang paling terkenal, tokamak, ialah kebuk vakum berbentuk donat (seperti yang dikatakan ahli matematik, torus) dengan perangkap plasma di dalam dan di luar. Konfigurasi ini akan mempunyai pemasangan termonuklear terbesar dan paling mahal di dunia - reaktor ITER yang sedang dalam pembinaan di selatan Perancis.

Sebagai tambahan kepada tokamak, terdapat banyak kemungkinan konfigurasi reaktor termonuklear: sfera, seperti dalam St. Petersburg Globus-M, stellarator melengkung yang aneh (seperti Wendelstein 7-X di Institut Fizik Nuklear Max Planck di Jerman), laser perangkap inersia, seperti American NIF. Mereka menerima lebih sedikit perhatian media daripada ITER, tetapi mereka juga mempunyai harapan yang tinggi.

Terdapat saintis yang menganggap reka bentuk stellarator pada asasnya lebih berjaya daripada tokamak: ia lebih murah untuk dibina, dan masa berkurung plasma menjanjikan lebih banyak lagi. Keuntungan dalam tenaga disediakan oleh geometri perangkap plasma itu sendiri, yang membolehkan seseorang menyingkirkan kesan parasit dan kebocoran yang wujud dalam "donut". Versi dipam laser juga mempunyai kelebihannya.

Bahan api hidrogen di dalamnya dipanaskan pada suhu yang diperlukan oleh denyutan laser, dan tindak balas pelakuran bermula hampir serta-merta. Plasma dalam pemasangan sedemikian dipegang oleh inersia dan tidak mempunyai masa untuk berselerak - semuanya berlaku begitu cepat.

Seluruh dunia

Semua reaktor termonuklear yang wujud di dunia hari ini adalah mesin eksperimen. Tiada satu pun daripada mereka digunakan untuk menjana elektrik. Belum ada yang berjaya memenuhi kriteria utama untuk tindak balas termonuklear (kriteria Lawson): untuk mendapatkan lebih banyak tenaga daripada yang dibelanjakan untuk mencipta tindak balas. Oleh itu, masyarakat dunia telah menumpukan perhatian kepada projek ITER raksasa. Jika kriteria Lawson dipenuhi di ITER, teknologi boleh diperhalusi dan cuba memindahkannya ke landasan komersial.

Tiada negara di dunia boleh membina ITER sahaja. Ia memerlukan 100 ribu km wayar superkonduktor sahaja, dan juga berpuluh-puluh magnet superkonduktor dan solenoid pusat gergasi untuk memegang plasma, sistem untuk mencipta vakum tinggi dalam cincin, penyejuk helium untuk magnet, pengawal, elektronik … Oleh itu, projek sedang membina 35 negara dan lebih banyak sekali gus ribuan institut saintifik dan kilang.

Rusia adalah salah satu negara utama yang mengambil bahagian dalam projek itu; di Rusia 25 sistem teknologi reaktor masa depan sedang direka dan dibina. Ini adalah superkonduktor, sistem untuk mengukur parameter plasma, pengawal automatik dan komponen pengalih, bahagian paling panas dinding dalaman tokamak.

Selepas pelancaran ITER, saintis Rusia akan mempunyai akses kepada semua data percubaannya. Walau bagaimanapun, gema ITER akan dirasai bukan sahaja dalam sains: kini di beberapa wilayah telah muncul kemudahan pengeluaran, yang di Rusia tidak wujud sebelum ini. Sebagai contoh, sebelum permulaan projek, tidak ada pengeluaran industri bahan superkonduktor di negara kita, dan hanya 15 tan setahun dihasilkan di seluruh dunia. Sekarang, hanya di Loji Mekanikal Chepetsk dari perbadanan negeri "Rosatom" adalah mungkin untuk menghasilkan 60 tan setahun.

Masa depan tenaga dan seterusnya

Plasma pertama di ITER dirancang untuk diterima pada 2025. Seluruh dunia sedang menunggu acara ini. Tetapi satu, walaupun yang paling berkuasa, mesin bukan semuanya. Di seluruh dunia dan di Rusia, mereka terus membina reaktor termonuklear baharu, yang akan membantu memahami kelakuan plasma dan mencari cara terbaik untuk menggunakannya.

Sudah pada penghujung tahun 2020, Institut Kurchatov akan melancarkan tokamak T-15MD baharu, yang akan menjadi sebahagian daripada pemasangan hibrid dengan unsur nuklear dan termonuklear. Neutron, yang terbentuk dalam zon tindak balas termonuklear, dalam pemasangan hibrid akan digunakan untuk memulakan pembelahan nukleus berat - uranium dan torium. Pada masa hadapan, mesin hibrid tersebut boleh digunakan untuk menghasilkan bahan api untuk reaktor nuklear konvensional - kedua-dua neutron haba dan pantas.

Keselamatan Thorium

Terutama menggoda ialah prospek menggunakan "nukleus" termonuklear sebagai sumber neutron untuk memulakan pereputan dalam nukleus torium. Terdapat lebih banyak torium di planet ini daripada uranium, dan penggunaannya sebagai bahan api nuklear menyelesaikan beberapa masalah kuasa nuklear moden sekaligus.

Oleh itu, produk pereputan torium tidak boleh digunakan untuk menghasilkan bahan radioaktif tentera. Kemungkinan penggunaan sedemikian berfungsi sebagai faktor politik yang menghalang negara-negara kecil daripada membangunkan tenaga nuklear mereka sendiri. Bahan api Thorium menyelesaikan masalah ini sekali dan untuk semua.

Perangkap plasma boleh berguna bukan sahaja dalam tenaga, tetapi juga dalam industri aman yang lain - walaupun di angkasa. Kini Rosatom dan Institut Kurchatov sedang mengusahakan komponen untuk enjin roket plasma tanpa elektrod untuk kapal angkasa dan sistem untuk pengubahsuaian bahan plasma. Penyertaan Rusia dalam projek ITER memacu industri, yang membawa kepada penciptaan industri baharu, yang sudah menjadi asas bagi perkembangan baharu Rusia.