Один из способов получения огромного количества энергии - это ядерные реакции. Атомные электростанции используют ядерную реакцию для нагрева воды до пара, который, в свою очередь, вращает турбины, вырабатывающие электричество.
Соединенные Штаты производят больше ядерной энергии, чем любая другая страна в мире, и почти 20% общей потребности США в энергии удовлетворяется за счет ядерной энергии.
Есть два типа ядерных реакций, с помощью которых мы можем генерировать энергию - ядерное деление и ядерный синтез.
Многие считают, что и ядерное деление, и ядерный синтез используются на атомных электростанциях для выработки энергии. Однако мы используем только ядерное деление, даже если знаем, что ядерный синтез является гораздо лучшей альтернативой с точки зрения доступности топлива и производства энергии.
Итак, почему мы зависим от более опасного варианта ядерного деления? Давайте обсудим.
Что такое деление и синтез ядер?
Прежде чем мы углубимся в особенности деления и синтеза, вам нужно понять разницу между ними.
Деление ядер: Процесс выделения тепла путем расщепления тяжелых атомов. Расщепление атомов достигается за счет столкновения с тяжелым атомом высокоскоростных частиц, обычно нейтронов.
Ядерный синтез: Процесс выделения тепла путем соединения двух легких атомов с образованием более тяжелого атома.
Ядерные генераторы, которые у нас есть сегодня, используют ядерное деление для выработки тепла. Ядерный реактор использует керамические таблетки оксида урана для активной зоны.
Атомы урана затем расщепляются путем бомбардировки его нейтронами. В результате расщепления выделяется огромное количество тепла, при этом высвобождается больше нейтронов.
Эти новые нейтроны затем поражают другие атомы урана, который продолжает генерировать больше тепла и нейтронов. Это называется цепной реакцией, и мы контролируем скорость реакции с помощью замедлителей, таких как графит или вода.
Хладагент циркулирует для поглощения тепла и предотвращения перегрева реактора. Это тепло, которое превращает теплоноситель (воду) в пар, а затем в полезную энергию.
Тепловая мощность урановых таблеток, которые мы используем в ядерных реакторах, очень велика, что в некотором смысле делает реактор экономичным. Всего 20 граммов уранового топлива могут произвести столько же энергии, сколько 400 килограммов угля.
Всего восемь урановых гранул могут снабжать энергией дом в течение года.
Когда мы сравниваем ядерную энергию с другими формами ископаемого топлива в отношении производства тепла, ядерная энергия оказывается намного чище, поскольку не производится CO2.
Что лучше: деление или синтез?
Несмотря на то, что мы используем ядерное деление для получения энергии, на самом деле оно более загрязняет окружающую среду и опаснее по сравнению с ядерным синтезом. Наше солнце ярко и жарко горит благодаря энергии, получаемой в результате ядерного синтеза.
Теоретически ядерный синтез может быть вызван объединением двух легких атомов, и у нас есть идеальные кандидаты для этого процесса, такие как тритий и дейтерий. Преимущество использования ядерного синтеза заключается в том, что, в отличие от урана, у нас в избытке тритий и дейтерий, поскольку они являются изотопами водорода.
Получающиеся в результате ядерные отходы менее радиоактивны, чем мы получаем в результате ядерного деления. Также отсутствует вероятность какого-либо расплавления, что делает работу с ядерным синтезом гораздо более безопасной по сравнению с делением.
Тогда почему мы не используем ядерный синтез?
Ядерный синтез показывает больший потенциал, чем деление, почему мы его не используем? Ответ заключается в том, что трудно воссоздать условия, способствующие ядерному синтезу.
Мы обсуждали, что Солнце работает на ядерном синтезе, и это потому, что температура и давление в солнечном ядре намного выше, чем то, что мы можем воссоздать в ядерных реакторах. Если бы мы воспроизвели такие настройки, нам нужно было бы довести температуру реактора в 6 раз до температуры ядра Солнца, что соответствует примерно 100 миллионам градусов Цельсия.
Солнце может способствовать термоядерному синтезу при температуре всего 15 миллионов градусов по Цельсию из-за высокого давления, поддерживаемого в его ядре.
Огромная потребность в энергии связана с тем фактом, что ядерный синтез объединяет два положительных атома, чтобы слиться. Поскольку одинаковые заряды отталкиваются, нам нужно передать атомам огромное количество энергии.
Однако ученые пытались взломать код, как облегчить термоядерную реакцию на Земле.
Попытка создания такой установки впервые стала возможной с помощью Аппарата под названием Токамак. Это камера в форме пончика, которая использует электричество для зарядки газа внутри трубки.
Когда газ получает большое количество заряда, он меняет состояние на плазму.
Поскольку перед закачкой газа камера находится в состоянии вакуума, ученые могут имитировать высокое давление и еще больше повышать температуру, чтобы поддерживать реакцию синтеза. Однако, чтобы реакция продолжалась, нам нужна тонна электричества и камера, способная удерживать плазму некоторое время, не расплавляя все детали.
Максимальное, что мы получили с высокотемпературной плазмой, составляет 102 секунды, что стало возможным благодаря реактору EAST, расположенному в Китае.
Ученые часто шутят, что за последние шесть десятилетий до получения термоядерной энергии оставалось 20 лет.
Путь к ядерному синтезу
Это не означает, что мы отказываемся от мечты о гораздо более чистой и безопасной энергии. Вместо этого 35 стран объединились, объединив ресурсы в размере 25 миллиардов долларов для создания крупнейшего в истории исследовательского проекта под названием ИТЭР (Международный термоядерный экспериментальный реактор).
Цель проекта - создать устойчивую термоядерную энергию к 2035 году. ИТЭР - это, по сути, мощная версия реактора Токамак, который может поддерживать плазму более часа, чего достаточно для питания 50 000 домохозяйств..
ИТЭР сейчас строится в Сен-Поль-ле-Дюранс, на юге Франции.
В прошлом году группе исследователей из Принстонской лаборатории физики плазмы удалось стабилизировать плазму в термоядерных реакторах, чтобы предотвратить колебания температуры и плотности. Этот прорыв поможет предотвратить остановку ядерных реакций.
Мы также наблюдаем рост числа стартапов, которые хотят ввести термоядерную энергию в эксплуатацию до 2035 года. Одним из таких примеров является компания Commonwe alth Fusion Systems, которая планирует запустить термоядерный реактор к 2025 году.
Можно с уверенностью сказать, что прогресс в области термоядерных технологий определенно есть. Это, конечно, не на расстоянии вытянутой руки, но, безусловно, ожидание того стоит.