La атомна енергія десятиліттями відігравала вирішальну роль у світовому енергопостачанні. Однак енергія, отримана від ядерний синтез обіцяє ще більш значні зміни в енергетичному ландшафті, пропонуючи практично невичерпні ресурси з мінімальними викидами радіоактивних відходів. Незважаючи на свій потенціал, цей фантастичний процес все ще знаходиться в стадії розробки, враховуючи, що технологічні та економічні труднощі є незначними. Це виклик, який вчені всього світу постійно досліджують, щоб одного разу зробити ядерний синтез реальністю як стабільне комерційне джерело енергії.
У цій статті ми розглянемо, що таке ядерний синтез, його переваги, виклики для того, щоб стати комерційним джерелом, і його значення для глобального енергетичного майбутнього.
Що таке ядерний синтез?
Ядерний синтез є іншим процесом, ніж ядерний поділ, який є механізмом, який використовується на сучасних ядерних установках. У той час як поділ включає розщеплення важких атомів, таких як уран і плутоній, термоядерний синтез передбачає з’єднання легших ядер, таких як атоми водню, з утворенням важчого, більш стабільного. В результаті цього об'єднання виділяється велика кількість енергії у вигляді тепла.
Найбільш здійсненним процесом на сьогодні є злиття дейтерію та тритію, двох ізотопів водню, з утворенням гелію. Під час цієї реакції також виділяються такі частинки, як нейтрони. У разі синтезу дейтерію і тритію при кожній реакції синтезу виділяється 17.6 МеВ (мільйони електронвольт). Ця енергія значно більша, ніж енергія, отримана при діленні ядер.
Одна з головних переваг ядерного синтезу полягає в тому, що дейтерій можна добувати з морської води, що робить його майже необмеженим у постачанні палива. З іншого боку, тритій, хоч і не так багато, як дейтерій, може утворюватися в самих термоядерних реакторах шляхом бомбардування літію нейтронами.
Як здійснюється ядерний синтез?
Досягнення ядерного синтезу на Землі передбачає відтворення екстремальних умов, подібних до тих, що виникають у ядрі зірок. Щоб атомні ядра злилися, вони повинні подолати природне електростатичне відштовхування між собою, і для цього їм потрібно досягти температури в мільйони градусів Цельсія.
В експериментальних реакторах, таких як Токамаки та Стелларатори, атоми нагріваються до температури понад 100 мільйонів градусів, щоб отримати достатню швидкість і енергію, щоб ядра могли наблизитися один до одного і злитися. При цих температурах речовина перебуває вже не в твердому, рідкому чи газоподібному стані, а в стані плазми, іонізованого газу із заряджених частинок.
Основна проблема термоядерного синтезу полягає в тому, що на Землі немає матеріалу, який міг би витримати такі високі температури, не розплавившись. Тому в термоядерних реакторах плазма повинна бути обмежена потужними магнітними полями, які запобігають її торканню стінок реактора. Це підхід до магнітного утримання, який полягає в утриманні плазми в межах тороїдальної (кільцеподібної) геометрії за допомогою надпровідних магнітів.
Іншим підходом є інерційне утримання, коли лазери або промені частинок використовуються для стиснення крихітних дейтерієво-тритієвих капсул до надзвичайно високої щільності, змушуючи частинки зливатися до того, як вони встигають розширитися. Яскравим прикладом цього підходу є National Ignition Facility (NIF) у Сполучених Штатах, який досяг важливих віх у дослідженнях інерційного синтезу.
Наукові стратегії стримування
Існує дві основні методики спроби досягти керованого ядерного синтезу: магнітне утримання та інерційне утримання.
Магнітне утримання: Цей метод заснований на використанні потужних магнітних полів для утримання гарячої плазми. в реакторі токамакНаприклад, тороїдні магніти відповідають за утримання плазми від стінок реактора, дозволяючи процесу синтезу відбуватися без надто швидкого охолодження плазми.
Однією з найбільших проблем із цією технікою є те, що лише незначній частині частинок у плазмі вдається злитися. Щоб термоядерний синтез був економічно життєздатним, необхідно досягти понад 50% ефективності плазми, відомої як Критерій Лоусона. Хоча Сонце використовує гравітаційне утримання через свою величезну масу, на Землі ми не можемо відтворити цей тиск, тому нам потрібно досягти набагато вищих температур.
Інерційний конфайнмент: Замість того, щоб утримувати плазму магнітними полями, інерційне утримання пропонує використовувати лазери або пучки частинок для стиснення дейтерієвих і тритієвих капсул. Ідея полягає в тому, що, стискаючи ці капсули до надзвичайно високої щільності, а потім швидко їх нагріваючи, термоядерний синтез запускається до того, як частинки зможуть рухатися занадто сильно.
Обидва підходи мають свої переваги та недоліки, і вчені продовжують досліджувати, який підхід зробить термоядерні реактори комерційно життєздатними.
Коли це буде комерційно життєздатним?
Незважаючи на досягнення, досягнуті за останні десятиліття, до комерційної життєздатності ядерного синтезу ще кілька десятиліть. Передбачається, що перші комерційні термоядерні реактори можна буде побачити близько 2050 року, хоча ця дата значною мірою залежить від технологічного прогресу та подальшого фінансування досліджень.
Проте одним із найперспективніших проектів є ІТЕР (Міжнародний термоядерний експериментальний реактор), міжнародний проект, спрямований на демонстрацію технічної та наукової здійсненності ядерного синтезу за допомогою магнітного утримання. Якщо випробування ITER пройдуть успішно, є надія, що це може прокласти шлях до створення комерційних термоядерних реакторів.
Іншим значним прогресом стала розробка високотемпературні надпровідники для магнітів, що використовуються в термоядерних реакторах. Дослідники Массачусетського технологічного інституту розробили надпровідний магніт, який генерує набагато потужніші магнітні поля, ніж традиційні магніти, з набагато меншим споживанням енергії. Згідно з дослідженнями, ця технологія може знизити вартість термоядерних реакторів у 40 разів, що зробить комерційний термоядерний синтез не тільки життєздатним, але й потенційно конкурентоспроможним з точки зору вартості.
Щоб зробити термоядерний синтез реальністю, потрібен не лише науковий прорив, але й ширша міжнародна співпраця та політичні та фінансові зобов’язання для підтримки довгострокових досліджень. Термоядерний синтез має потенціал стати чистим, безпечним і практично необмеженим джерелом енергії, але він потребує постійних інвестицій і глобальних координованих зусиль.
Ядерний синтез являє собою величезні енергетичні перспективи, які дозволять вирішити багато проблем, з якими стикається наша цивілізація з точки зору стійкості та енергетичної безпеки. Однак наукові, технічні та матеріально-технічні проблеми, з якими стикається ця технологія, величезні. У міру розвитку досліджень є надія, що в найближчі десятиліття термоядерний синтез зможе нарешті перейти з лабораторії та стати частиною світового енергопостачання.