Мечта об овладении энергией ядерного синтеза становится реальностью


Такая область знаний, как ядерная физика, позволила создать атомную энергетику на основе реакции деления тяжёлых радиоактивных элементов (АЭС работают на изотопах урана), чем и вызвана их высокая сложность и стоимость эксплуатации, возможность аварий и проблема с отработанным топливоми захоронением радиоактивных отходов. Кроме этого радиоактивное топливо требует сложной и дорогой технологии производства, транспортировки и хранения.
Все эти условия и риски влияют на стоимость энергии и не позволяют строить АЭС повсеместно.
image.png
Ядерная физика имеет дело не только с реакциями деления, но и реакциями синтеза, которые дают неизмеримо больший выход энергии и при этом на выходе не образуется радиоактивных изотопов, поэтому нет проблем с отработанным топливом. Продуктами ядерного синтеза почти всегда являются стабильные изотопы, существующие в природе. А если есть реакции синтеза с выходом радиоактивных изотопов, то зачем осуществлять именно их?
image.png
О перспективах энергетики ядерного синтеза заговорили еще в 50-е годы ХХ века в связи с проблемами обеспечения человечества дешёвой и экологически чистой энергетикоцй. Ожидалось, что энергетическая революция, связанная с освоением технологии ядерного синтеза, произойдёт к концу века, но в силу множества политических и экономических факторов, она не состоялась.
Попытки запустить ядерный синтез и обеспечить за счёт этого весь мир чистой и практически неисчерпаемой энергией (1 грамм синтезируемого вещества даёт больше энергии, чем 100 литров бензина при том, что топливом в реакциях синтеза потенциально может быть все, что угодно, в том числе обычная вода).

Запустить реакцию синтеза на практике препятствует кулоновский барьер, преодолеть который оказалось очень сложно (кулоновский барьер - это сила отталкивания атомных ядер, которая препятствует их слиянию), поэтому термоядерный взрыв не может вызвать цепную реакцию, в ходе которой сгорела бы вся планета. Ядерный синтез идёт только в том объёме вещества, которое удалось "поджечь" в момент взрыва первой ступени, которой служит обычный ядерный заряд деления.
image.png

Идея об использовании реакций ядерного синтеза в экономике страны, разбивалась об кулоновский барьер. Строились разные виды токамаков (разновидность реакторов синтеза) один больше другого, но положительного выхода энергии, который бы превышал затраты на разогрев и удержание высокотемпературной плазмы внутри магнитного бублика (тора), откуда и произошло название - токамак (тороидальная магнитная катушка), никак не удавалось достичь.

Вместе с попытками строительства токамаков и запуска ядерного синтеза в высокотемпературной плазме появилось направление, которое называют холодным синтезом. Оказалось, что ядерный синтез может идти не только в высокотемпературной плазме, но и при других условиях, в частности при мощном электрическом разряде, в котором ядра атомов приобретают достаточную для синтеза энергию.
Долгое время академическая наука не признавала саму возможность ядерного синтеза в каких-либо иных условиях, чем высокотемпературная плазма. Более того,
учёных, проводивших исследования в области низкоэнергетического синтеза, подвергали резкой критике, объявляли "алхимиками" и даже увольняли из институтов "за ересь". Исключение делалось для "мезонного катализа", при котором синтез не требовал разогрева вещества, однако, затраты на получение мезонов оказались выше, чем выход энергии синтеза.

Но как не доказывали "ортодоксы от физики", что ядерный синтез не может идти при низких энергиях, исследования продолжались, к ним присоединялись новые научные центры, увеличивалось финансирование, экспериментальная база росла и выяснилось, что невозможное всё-таки возможно и ядерный синтез идёт не только в высокотемпературной плазме, но и при других условиях и состояниях вещества.

Ряд экспериментов по осуществлению "тёплого" синтеза и синтеза в электрических разрядах удалось повторить разным независимым исследовательским группам и добиться устойчивого воспроизводимого эффекта и, что самое главное, - получить положительный выход энергии, который оказался больше, чем при реакциях деления урана.
Также было разработано несколько теорий, как именно ядрам атомов удаётся преодолеть кулоновский барьер и почему это происходит при строго определённых условиях. Кулоновский барьер преодолён во всех смыслах и теперь появление ядерных реакторов, работающих на принципах синтеза, становится инженерной задачей и вопросом времени.
До появления промышленных реакторов ядерного синтеза может пройти еще много времени, возможно даже несколько десятилетий, но успех в овладении ядерным синтезом неминуем.
image.png
Вероятно, путь от экспериментальных реакторов ядерного синтеза до промышленного оборудования, потребует лет 10-20, но главное, что исследователям
удалось достичь устойчивого воспроизводимого эффекта и положительного выхода энергии, превышающего выход энергии от ТВЭЛов, используемых в современных АЭС.
Опытные образцы позволяют сделать вывод, что реакторы синтеза будут очень незначительными - минимальная эффективная мощность будет начинаться с нескольких киловатт, а энергоблок этой мощности может быть размером с системный блок компьютера. Стоимость установки в расчёте на киловатт мощности будет ниже, чем у любых существующих генераторов. Стоимость топлива (заряда) будет и вовсе ничтожно мала ввиду использования повсеместно распространённого вещества.

Исследования, где были получены положительные результаты - это Россия, Япония, Италия и США, при этом первая установка ядерного синтеза, судя по всему, была создана в СССР, однако проект не получил своевременного развития и был закрыт.
Эффект ядерного синтеза удалось воспроизвести ученым из Китая, а если в Китае что-то удалось воспроизвести, то появление промышленных образцов уже точно вскоре следует ожидать.
После энергетической революции начнутся все остальные революции, поскольку энергия лежит в основе производства, транспорта, жизнеобеспечения и других сфер экономики, котрая определяет политику и общественную жизнь.

Подтверждением того, что революция ядерного синтеза становится реальностью, служит сообщение от 28 декабря 2020 года о мировом рекорде, установленном Корейским термоядерным реактором по времени непрерывной работы в течение 20 секунд Эти секунды решают будущее всего человечества.
image.png
Исследовательский центр KSTAR в Корейском институте термоядерной энергии (KFE) объявил, что инженерам установки для ядерного синтеза удалось добиться непрерывной работы в течение 20 секунд.
При этом температура плазмы была выше 100 млн градусов, что является одним из основных условий ядерного синтеза, отметили в KSTAR.
Это достижение побило предыдущий результат в 8 секунд, который KSTAR Plasma Campaign установила в 2019 году. В эксперименте 2018 года KSTAR впервые достигнута температура ионов плазмы 100 млн градусов (время удерживания: около 1,5 секунд).
image.png
Для воссоздания термоядерных реакций, происходящих на Солнце, в условиях Земли изотопы водорода должны быть помещены внутрь термоядерного устройства, такого как KSTAR, чтобы создать состояние плазмы, в котором ионы и электроны разделены, а ионы должны нагреваться и поддерживаться при высоких температурах.

До сих пор были другие термоядерные устройства, которые кратковременно управляли плазмой при температуре 100 миллионов градусов или выше, но ни один из них не преодолел барьер поддержания операции в течение 10 секунд и более.
Это предел работы устройства с нормальной проводимостью, так как трудно поддерживать стабильное состояние плазмы в термоядерном устройстве при таких высоких температурах в течение длительного времени.

В своем эксперименте 2020 года KSTAR улучшил характеристики режима внутреннего транспортного барьера (ITB), одного из режимов работы плазмы следующего поколения, разработанного в прошлом году и позволившего поддерживать состояние плазмы в течение длительного периода времени.

Директор Исследовательского центра KSTAR в KFE Си-Ву Юн пояснил: "Технологии, необходимые для длительных операций с 100-миллионной плазмой, являются ключом к реализации термоядерной энергии, а также успехом KSTAR в поддержании высокотемпературной плазмы. Эти секунды станут важным поворотным моментом в гонке за обеспечение технологий для длительной высокопроизводительной плазменной операции, критического компонента коммерческого ядерного термоядерного реактора в будущем".
Конечная цель KSTAR — добиться к 2025 году непрерывной работы в течение 300 секунд с ионной температурой выше 100 миллионов градусов.

В атомным реакторе тяжёлые ядра распадаются на лёгкие за счёт их бомбардировки нейтронами. Такой процесс высвобождает огромное количество энергии, вызывая цепную реакцию, которая может быть опасной, если ядерный распад выйдет из-под контроля.
В реактор с термоядерным синтезом, лёгкие ядра объединяются в тяжёлые за счёт их нагревания до чрезвычайно высоких температур. Такой процесс не приводит к цепной реакции, имеет гораздо более высокую удельную плотность энергии и по его окончанию не остается радиоактивных отходов. Но осуществить термоядерный синтез чрезвычайно сложно и дорого.
image.png
Ранее сообщалось, что в июле 2020 года учёные из Индии заявили о подготовке главной детали термоядерного реактора ITER — криостата. Сам реактор планируют открыть в 2025 году. В создании термоядерного реактора принимают участие все страны ЕС, Индия, Китай, Южная Корея, Россия, США, Япония и Казахстан. Несколько лет назад дату окончания постройки ITER перенесли на 2025 год, а общая стоимость проекта выросла до 19 млрд евро.
Ключевым элементом будущего реактора должен стать герметичный криостат и вакуумная камера, которые смогут поддерживать процесс термоядерного синтеза и свободное течение плазмы внутри них. Эта плазма будет нагреваться до температур в миллионы градусов Цельсия.
Индийские участники проекта ITER заявили о завершении строительства этого криостата. Устройство представляет собой самую большую в мире камеру высокого давления из нержавеющей стали.


Comments 0