Ядерный синтез:что это такое и где мы находимся

Ядерный синтез — это реакция, которая высвобождает много энергии с низким уровнем воздействия.Но на практике чистые ядерные технологии все еще незрелы.

Т'ядерная энергия периодически вступает в политический дискурс, поскольку чистый источник энергии с низким уровнем выбросов.Помимо плюсов и минусов этой технологии, с некоторых пор тема ядерный синтез.Ядерный синтез представлен как «чистая ядерная энергия«потому что, в отличие от ядерного деления, которое характерно для сегодняшних электростанций, оно будет производить практически неограниченное количество энергии без выбросов вредных и парниковых газов и с образованием ограниченного количества радиоактивных отходов, в том числе трития.Особый энтузиазм вызвалиэксперимент успешен В начале 2022 года, проведенном европейской исследовательской группой в Англии, Joint European Torus (Jet) of Oxford, и в ходе которого был испытан импульс термоядерной энергии длительностью не менее пяти секунд, произошло удвоение по сравнению с предыдущим экспериментом. в 1997 году.Эти только что описанные времена ясно показывают, насколько исследования все еще позади в разработке технологии ядерного синтеза.Второй старая шутка, На протяжении пятидесяти лет считалось, что ядерный синтез наступит через тридцать лет.Это правда, что управляемый ядерный синтез может – теоретически – решить проблемы энергоснабжения на Земле, но это технология на заре своего развития, и который, следовательно, в одиночку не способен решить проблемы, продиктованные актуальностью климата.

• Что такое ядерный синтез
• Как работает ядерный синтез
• История ядерного синтеза, чистая ядерная энергетика
• Потому что ядерный синтез еще не работает
• А как насчет холодного синтеза?

Что такое ядерный синтез

Ядерный синтез по определению это ядерная реакция при котором ядра двух или более атомов соединяются вместе, образуя ядро ​​нового химического элемента, более или менеепротивоположность делению ядра, реакция, лежащая в основе современных атомных электростанций, где тяжелый атом распадается на две или более части меньшей массы.Чтобы слияние стало возможным, необходимо большое количество энергии, способный преодолевать электромагнитное отталкивание ядер.

Этот процесс у подножия звезд, включая Солнце, и впервые было искусственно воспроизведено в 1950-х годах для усиления мощности атомной бомбы (так называемой водородной бомбы).С 1960-х годов были проведены многочисленные эксперименты по использованию энергии, получаемой в результате ядерного синтеза, но проекты такого типа все еще в стадии строительства.

Как работает ядерный синтез

Как уже упоминалось, ядерный синтез — это химико-физическая реакция у подножия звезд, в которой горячий газ, плазма, удерживается взаперти и сплочённым благодаря собственной гравитационной силе.Это реакции на очень высокие температуры, поэтому основная проблема состоит в том, чтобы найти материал, способный удерживать плазму, образующуюся во время реакции, в ограниченном объеме.Наиболее интересные реакции, протестированные до сих пор, связаны с использованием дейтерий или которые используют цикл углерод-азот-кислород.Это реакции, которые производят температуры ниже, чем те, которые генерируются звездами, и поэтому пока не могут быть использованы в энергетических целях.

Наиболее изученной реакцией на протяжении десятилетий по использованию термоядерного синтеза в реакторе электростанции для производства электроэнергии является дейтерий-тритиевый синтез, потому что именно он требует самой низкой температуры (около 200 миллионов градусов).Недостатком этой реакции является образование очень высокой энергии и, следовательно, очень быстрых нейтронов, которые невозможно удержать магнитным полем.Таким образом, нейтроны сильно взаимодействуют с окружающим веществом, делая материалы, используемые для ограничения реакции, такие как сталь или железобетон, радиоактивными.Следовательно, для активации этих нейтронов требуется очень тяжелая защита (например, свинец).

Некоторые эксперименты были сосредоточены на «анейтронные» реакции, чтобы избежать создания быстрых нейтронов.Но этим проектам приходится иметь дело с еще более высокими температурами:там реакция гелий-3-дейтерий, например, может производить 580 миллионов градусов.По сравнению с дейтерий-тритиевым синтезом необходимо будет увеличить в 6 раз интенсивность магнитного поля и, следовательно, удерживающую способность, которую может обеспечить технология высокотемпературных сверхпроводников.

Внутри звезд ядерный синтез относится к типу дейтерий-дейтерий который производит нейтроны со значительно меньшей энергией, чем в двух предыдущих примерах, но с еще более высокими температурами.Однако для удержания этой энергии необходимы новые магниты на основе еще более совершенных высокотемпературных сверхпроводников, которые, однако, пока технологически не достижимы, если только раньше несколько десятилетий.

Хотя мы говорим об очень высоких температурах, никаких особых проблем с безопасностью не предполагалось. по мнению нескольких экспертов, если бы они были, они были бы менее опасный по сравнению с тем, что могло бы произойти в системе ядерного деления, цепные реакции которой увеличивают энергию и, следовательно, выделяемое тепло.

История ядерного синтеза, чистая ядерная энергетика

Первый эксперимент датируется 1932 годом, когда Марк Олифант провел в лаборатории синтез тяжелых изотопов водорода.Исследования термоядерного синтеза в военных целях они начались в начале 1940-х годов в рамках Манхэттенского проекта (программа исследований и разработок, проводимая США, которая привела к созданию атомных бомб) и в 1952 году была использована первая водородная бомба (на жаргоне Айви Майк и взорвался на Маршалловых островах, на атолле, под которым до сих пор находится бетонный купол с радиоактивными отходами ядерных испытаний).

За последние шестьдесят лет были также предприняты значительные теоретические и экспериментальные усилия по разработке ядерного синтеза для гражданские цели а не война или производство электроэнергии.На сегодняшний день наиболее совершенный термоядерный реактор представлен Итер (Международный термоядерный экспериментальный реактор), Реактор тороидальной (пончиковой) формы, в котором плазма (обычно водород) при очень высокой температуре и низком давлении сохраняется связной и вдали от внутренних стенок благодаря магнитному полю, создаваемому внешними по отношению к камере электромагнитами.

В проекте ИТЭР участвуют 35 стран (включая государства-члены Европейского Союза, США, Индию, Японию, Южную Корею и Россию) с целью строительства первого экспериментального реактора такого типа в Кадараше, на юге Франции. Италия участвует в ИТЭР с испытательным полигоном во Фраскати.

Помимо Iter, есть еще два экспериментальных проекта: Sparc (крупнейшим акционером которого является Eni) и Arc. А первый демонстрационный реактор, проект Демо, если все пойдет по плану и с сильными нарушениями по сравнению с прошлыми задержками, он может быть готов не раньше 2050 года. Demo на самом деле является прототипом реактора для термоядерной электростанции, изучаемой европейским консорциумом Eurofusion как идеального преемника экспериментального реактора Iter.

Потому что ядерный синтез еще не работает

Главной проблемой с 1960-х годов по настоящее время, а, возможно, и на обозримое будущее, является трудности с достижением положительного энергетического баланса реактора.На сегодняшний день фактически еще не удалось построить реактор, нормально производящий при непрерывной работе больше электроэнергии, чем вы потребляете для питания магнитов и вспомогательных систем удержания.

Не маленькая проблема речь идет о затратах:Первоначально предполагалось, что стоимость ИТЕРа, самого продвинутого проекта ядерного синтеза, составит 13 миллиардов евро, но есть те, кто утверждает, что он может легко достичь 30 миллиардов, не говоря уже о необходимости использования огромного количества энергии для продолжения экспериментов.

А как насчет холодного синтеза?

23 марта 1989 года в Университете Юты два электрохимика Мартин Флейшманн и Стэнли Понс заявили в пресс-конференция о достижении ядерного синтеза не в очень горячей плазме, поддерживаемой при экстремальных давлениях внутри огромных и сложных реакторов, а «в пробирке», при комнатной температуре.Два учёных открыли сезон «холодного синтеза», который обещал произвести революцию в мире энергетики.Как мы знаем, революция так и не произошла.Почему?

Во-первых, один битва за получение патента раньше других, привело к тому, что исследования никогда не изучались полностью, чтобы их можно было воспроизвести.Поспешность, с которой результаты были опубликованы Флешманом и Понсом, не позволила разрешить различные аномалии, возникшие на этапе проектирования.Для этого холодный синтез это никогда не было доказано научным сообществом, а коммерческий прототип так и не появился.

В заключение отметим, что ядерный синтез, безусловно, является очень интересной технологией с богатым потенциалом.Но на пути его эволюции все еще существует много проблем, и, учитывая продолжающуюся чрезвычайную климатическую ситуацию, его Время разработки все еще слишком медленное и дорогое чтобы представить действенное решение для энергетического сектора.