A ka të ardhme energjia termonukleare?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2023-12-16 16:16

Për më shumë se gjysmë shekulli, shkencëtarët janë përpjekur të ndërtojnë një makinë në Tokë, në të cilën, si në zorrët e yjeve, zhvillohet një reaksion termonuklear. Teknologjia e shkrirjes termonukleare të kontrolluar i premton njerëzimit një burim pothuajse të pashtershëm të energjisë së pastër. Shkencëtarët sovjetikë ishin në origjinën e kësaj teknologjie - dhe tani Rusia po ndihmon në ndërtimin e reaktorit më të madh të shkrirjes në botë.

Pjesët e bërthamës së një atomi mbahen së bashku nga një forcë kolosale. Ka dy mënyra për ta lëshuar atë. Metoda e parë është përdorimi i energjisë së ndarjes së bërthamave të mëdha të rënda nga skaji më i largët i tabelës periodike: uranium, plutonium. Në të gjitha termocentralet bërthamore në Tokë, burimi i energjisë është pikërisht prishja e bërthamave të rënda.

Por ekziston edhe një mënyrë e dytë për të çliruar energjinë e atomit: jo për të ndarë, por, përkundrazi, për të kombinuar bërthamat. Kur bashkohen, disa prej tyre lëshojnë edhe më shumë energji sesa bërthamat e uraniumit të zbërthyer. Sa më e lehtë të jetë bërthama, aq më shumë energji do të lirohet gjatë shkrirjes (siç thonë ata, shkrirja), kështu që mënyra më efektive për të marrë energjinë e shkrirjes bërthamore është të detyroni bërthamat e elementit më të lehtë - hidrogjenit - dhe izotopet e tij të bashkohen..

Ylli i dorës: pro të fortë

Shkrirja bërthamore u zbulua në vitet 1930 duke studiuar proceset që ndodhin në brendësi të yjeve. Doli se reaksionet e shkrirjes bërthamore ndodhin brenda çdo dielli dhe drita dhe nxehtësia janë produktet e tij. Sapo kjo u bë e qartë, shkencëtarët menduan se si të përsërisin atë që po ndodh në zorrët e Diellit në Tokë. Krahasuar me të gjitha burimet e njohura të energjisë, "dielli i dorës" ka një sërë avantazhesh të padiskutueshme.

Së pari, hidrogjeni i zakonshëm shërben si lëndë djegëse e tij, rezervat e të cilit në Tokë do të zgjasin për mijëra vjet. Edhe duke marrë parasysh faktin se reaksioni nuk kërkon izotopin më të zakonshëm, deuteriumin, mjafton një gotë ujë për të furnizuar një qytet të vogël me energji elektrike për një javë. Së dyti, ndryshe nga djegia e hidrokarbureve, reaksioni i shkrirjes bërthamore nuk prodhon produkte toksike - vetëm gazin neutral helium.

Të mirat e energjisë së shkrirjes

Furnizimet pothuajse të pakufizuara të karburantit. Në një reaktor të shkrirjes, izotopet e hidrogjenit - deuterium dhe tritium - punojnë si lëndë djegëse; mund të përdorni edhe izotopin helium-3. Ka shumë deuterium në ujin e detit - ai mund të merret me elektrolizë konvencionale, dhe rezervat e tij në Oqeanin Botëror do të zgjasin për rreth 300 milion vjet me kërkesën aktuale të njerëzimit për energji.

Ka shumë më pak tritium në natyrë, ai prodhohet artificialisht në reaktorët bërthamorë - por shumë pak nevojitet për një reaksion termonuklear. Nuk ka pothuajse asnjë helium-3 në Tokë, por ka shumë në tokën hënore. Nëse një ditë do të kemi fuqi termonukleare, ndoshta do të jetë e mundur të fluturojmë në Hënë për karburant për të.

Asnjë shpërthim. Duhet shumë energji për të krijuar dhe mbajtur një reaksion termonuklear. Sapo furnizimi me energji ndalon, reaksioni ndalon dhe plazma e ngrohur në qindra miliona gradë pushon së ekzistuari. Prandaj, një reaktor i shkrirjes është më i vështirë të ndizet sesa të fiket.

Radioaktivitet i ulët. Një reaksion termonuklear prodhon një fluks neutronesh që emetohen nga kurthi magnetik dhe depozitohen në muret e dhomës së vakumit, duke e bërë atë radioaktive. Duke krijuar një "batanije" të veçantë (batanije) rreth perimetrit të plazmës, duke ngadalësuar neutronet, është e mundur të mbrohet plotësisht hapësira rreth reaktorit. Vetë batanije në mënyrë të pashmangshme bëhet radioaktive me kalimin e kohës, por jo për shumë kohë. Duke e lënë të pushojë për 20-30 vjet, mund të merrni përsëri material me një rrezatim të sfondit natyror.

Nuk ka rrjedhje karburanti. Ekziston gjithmonë rreziku i rrjedhjes së karburantit, por një reaktor i shkrirjes kërkon aq pak karburant sa që edhe një rrjedhje e plotë nuk kërcënon mjedisin. Nisja e ITER-it, për shembull, do të kërkonte vetëm rreth 3 kg tritium dhe pak më shumë deuterium. Edhe në skenarin më të keq, kjo sasi izotopësh radioaktivë do të shpërndahet shpejt në ujë dhe ajër dhe nuk do të shkaktojë dëm për askënd.

Asnjë armë. Një reaktor termonuklear nuk prodhon substanca që mund të përdoren për të prodhuar armë atomike. Prandaj, nuk ka asnjë rrezik që përhapja e energjisë termonukleare të çojë në një garë bërthamore.

Si të ndizet "dielli artificial", në terma të përgjithshëm, u bë e qartë tashmë në vitet pesëdhjetë të shekullit të kaluar. Në të dy anët e oqeanit, u kryen llogaritjet që përcaktuan parametrat kryesorë të një reagimi të kontrolluar të shkrirjes bërthamore. Ajo duhet të ndodhë në një temperaturë të madhe prej qindra miliona gradë: në kushte të tilla, elektronet shkëputen nga bërthamat e tyre. Prandaj, ky reagim quhet edhe shkrirja termonukleare. Bërthamat e zhveshura, duke u përplasur me njëra-tjetrën me shpejtësi marramendëse, kapërcejnë zmbrapsjen e Kulombit dhe bashkohen.

Problemet dhe zgjidhjet

Entuziazmi i dekadave të para u përplas në kompleksitetin e jashtëzakonshëm të detyrës. Nisja e shkrirjes termonukleare doli të ishte relativisht e lehtë - nëse bëhet në formën e një shpërthimi. Atolet e Paqësorit dhe vendet e testimit sovjetik në Semipalatinsk dhe Novaya Zemlya përjetuan fuqinë e plotë të një reaksioni termonuklear tashmë në dekadën e parë të pasluftës.

Por përdorimi i kësaj fuqie, përveç shkatërrimit, është shumë më i vështirë sesa shpërthimi i një ngarkese termonukleare. Për të përdorur energjinë termonukleare për të gjeneruar energji elektrike, reaksioni duhet të kryhet në mënyrë të kontrolluar në mënyrë që energjia të çlirohet në pjesë të vogla.

Si ta bëjmë atë? Mjedisi në të cilin zhvillohet një reaksion termonuklear quhet plazma. Është i ngjashëm me gazin, vetëm ndryshe nga gazi normal përbëhet nga grimca të ngarkuara. Dhe sjellja e grimcave të ngarkuara mund të kontrollohet duke përdorur fusha elektrike dhe magnetike.

Prandaj, në formën e tij më të përgjithshme, një reaktor termonuklear është një mpiksje plazme e bllokuar në përçues dhe magnet. Ata parandalojnë daljen e plazmës, dhe ndërsa e bëjnë këtë, bërthamat atomike bashkohen brenda plazmës, si rezultat i së cilës lirohet energji. Kjo energji duhet të hiqet nga reaktori, të përdoret për të ngrohur ftohësin - dhe duhet të merret energji elektrike.

Kurthe dhe rrjedhje

Plazma doli të ishte substanca më kapriçioze me të cilën duhej të përballeshin njerëzit në Tokë. Sa herë që shkencëtarët gjenin një mënyrë për të bllokuar një lloj rrjedhjeje të plazmës, zbulohej një e re. E gjithë gjysma e dytë e shekullit të 20-të u shpenzua për të mësuar për të mbajtur plazmën brenda reaktorit për çdo kohë të rëndësishme. Ky problem filloi të jepte vetëm në ditët tona, kur u shfaqën kompjuterë të fuqishëm që bënë të mundur krijimin e modeleve matematikore të sjelljes së plazmës.

Ende nuk ka konsensus se cila metodë është më e mira për izolimin e plazmës. Modeli më i famshëm, tokamak, është një dhomë vakum në formë donut (siç thonë matematikanët, një torus) me kurthe plazma brenda dhe jashtë. Ky konfigurim do të ketë instalimin më të madh dhe më të shtrenjtë termonuklear në botë - reaktorin ITER aktualisht në ndërtim në jug të Francës.

Përveç tokamak-ut, ka shumë konfigurime të mundshme të reaktorëve termonuklear: sferikë, si në Globus-M të Shën Petersburgut, yjorë të lakuar në mënyrë të çuditshme (si Wendelstein 7-X në Institutin Max Planck të Fizikës Bërthamore në Gjermani), lazer. kurthe inerciale, siç është NIF amerikan. Ata marrin shumë më pak vëmendje mediatike sesa ITER, por kanë edhe pritshmëri të mëdha.

Ka shkencëtarë që e konsiderojnë dizajnin e yjorit si thelbësisht më të suksesshëm se tokamak: është më i lirë për t'u ndërtuar dhe koha e izolimit të plazmës premton të japë shumë më tepër. Fitimi në energji sigurohet nga gjeometria e vetë kurthit të plazmës, e cila lejon njeriun të heqë qafe efektet parazitare dhe rrjedhjet e natyrshme në "donut". Versioni i pompuar me lazer ka gjithashtu avantazhet e tij.

Karburanti i hidrogjenit në to nxehet në temperaturën e kërkuar nga pulset lazer dhe reaksioni i shkrirjes fillon pothuajse menjëherë. Plazma në instalime të tilla mbahet nga inercia dhe nuk ka kohë të shpërndahet - gjithçka ndodh kaq shpejt.

Tërë bota

Të gjithë reaktorët termonuklear që ekzistojnë sot në botë janë makina eksperimentale. Asnjë prej tyre nuk përdoret për të prodhuar energji elektrike. Asnjë nuk ka arritur ende në përmbushjen e kriterit kryesor për një reaksion termonuklear (kriteri i Lawson): të marrë më shumë energji sesa është shpenzuar për krijimin e reaksionit. Prandaj, komuniteti botëror është fokusuar në projektin gjigant ITER. Nëse kriteri Lawson përmbushet në ITER, do të jetë e mundur të rafinohet teknologjia dhe të përpiqet ta transferojë atë në shina komerciale.

Asnjë vend në botë nuk mund të ndërtojë ITER i vetëm. Ajo ka nevojë vetëm për 100 mijë km tela superpërcjellës, dhe gjithashtu dhjetëra magnet superpërcjellës dhe një solenoid qendror gjigant për mbajtjen e plazmës, një sistem për krijimin e një vakumi të lartë në një unazë, ftohës me helium për magnet, kontrollues, elektronikë … Prandaj, projekti po ndërton 35 vende dhe më shumë mijëra institute dhe fabrika shkencore në të njëjtën kohë.

Rusia është një nga vendet kryesore pjesëmarrëse në projekt; në Rusi po projektohen dhe ndërtohen 25 sisteme teknologjike të reaktorit të ardhshëm. Këto janë superpërçuesit, sistemet për matjen e parametrave të plazmës, kontrollorët automatikë dhe përbërësit e divertorit, pjesa më e nxehtë e murit të brendshëm të tokamakut.

Pas lëshimit të ITER, shkencëtarët rusë do të kenë akses në të gjitha të dhënat e tij eksperimentale. Sidoqoftë, jehona e ITER do të ndihet jo vetëm në shkencë: tani në disa rajone janë shfaqur objekte prodhimi, të cilat në Rusi nuk ekzistonin më parë. Për shembull, para fillimit të projektit, në vendin tonë nuk kishte prodhim industrial të materialeve superpërcjellëse dhe prodhoheshin vetëm 15 tonë në vit në të gjithë botën. Tani, vetëm në Uzinën Mekanike Chepetsk të korporatës shtetërore "Rosatom" është e mundur të prodhohen 60 tonë në vit.

E ardhmja e energjisë dhe më gjerë

Plazma e parë në ITER është planifikuar të merret në vitin 2025. E gjithë bota po e pret këtë ngjarje. Por një makinë, madje edhe më e fuqishme, nuk është e gjitha. Në të gjithë botën dhe në Rusi, ata vazhdojnë të ndërtojnë reaktorë të rinj termonuklear, të cilët do të ndihmojnë për të kuptuar më në fund sjelljen e plazmës dhe për të gjetur mënyrën më të mirë për ta përdorur atë.

Tashmë në fund të vitit 2020, Instituti Kurchatov do të nisë një tokamak të ri T-15MD, i cili do të bëhet pjesë e një instalimi hibrid me elementë bërthamorë dhe termonuklear. Neutronet, të cilat formohen në zonën e reaksionit termonuklear, në instalimin hibrid do të përdoren për të filluar ndarjen e bërthamave të rënda - uraniumit dhe toriumit. Në të ardhmen, makina të tilla hibride mund të përdoren për të prodhuar lëndë djegëse për reaktorët bërthamorë konvencionalë - si neutronet termike ashtu edhe ato të shpejta.

Shpëtimi i toriumit

Veçanërisht joshëse është perspektiva e përdorimit të një "bërthame" termonukleare si një burim neutronesh për të inicuar prishjen në bërthamat e toriumit. Në planet ka më shumë torium sesa uranium, dhe përdorimi i tij si lëndë djegëse bërthamore zgjidh disa probleme të energjisë moderne bërthamore menjëherë.

Kështu, produktet e kalbjes së toriumit nuk mund të përdoren për të prodhuar materiale radioaktive ushtarake. Mundësia e një përdorimi të tillë shërben si një faktor politik që i pengon vendet e vogla të zhvillojnë energjinë e tyre bërthamore. Karburanti toriumi e zgjidh këtë problem një herë e përgjithmonë.

Kurthet e plazmës mund të jenë të dobishme jo vetëm në energji, por edhe në industri të tjera paqësore - madje edhe në hapësirë. Tani Rosatom dhe Instituti Kurchatov po punojnë në komponentë për një motor rakete plazma pa elektrodë për anijen kozmike dhe sisteme për modifikimin plazmatik të materialeve. Pjesëmarrja e Rusisë në projektin ITER nxit industrinë, e cila çon në krijimin e industrive të reja, të cilat tashmë po formojnë bazën për zhvillimet e reja ruse.