Стів Каулі - один із провідних авторитетів у світі ядерний синтез. Я мав можливість зустрітися з ним не так багато років тому, в Мадриді, під час однієї з конференцій, які він проводить по всій планеті, щоб поширити, наскільки ця технологія може сприяти вирішенню потреби людини в енергії.
Його повідомлення йде глибоко. Неможливо слухати його, не заразившись його ентузіазмом і, перш за все, не глибоко привабивши ядерний синтез, сильним захисником якого він є. І, на думку цього британського фізика-теоретика, ця технологія є єдиною, яка може вирішити енергетичну кризу в яку ми вже занурені, і яка буде продовжувати зростати протягом наступних десятиліть. Її чи його обіцянку? Чиста, безпечна та практично необмежена енергія. Але для того, щоб це стало можливим, існує ще багато проблем, які необхідно вирішити.
Не все ядерне однакове
Перш ніж ми побачимо, як ядерний синтез працює в деталях, варто зупинитися, щоб побачити, як вони схожі. ядерний синтез і поділ, а також як вони відрізняються. У них є щось очевидне спільне: обидва - це ядерні реакції, метою яких є вивільнення енергії, що міститься в ядрі атома.
В обох випадках енергія виділяється у вигляді тепла, і в межах атомних електростанцій вона передається воді, що міститься у величезному резервуарі, для утворення високотемпературної водяної пари, яка негайно буде використана для руху набору турбіни, рух яких буде виробляти електричну енергію що ми використаємо пізніше.
Якщо ми подивимося на цей процес, то побачимо, що він чітко виконує Принцип збереження енергії про що ми всі чули, принаймні, коли навчались у школі, і що ми знаємо завдяки працям таких вчених, як Фалес Мілетський, Галілей, Лейбніц чи Ньютон, серед інших. Цей закон говорить, що енергія ні створюється, ні руйнується, а просто трансформується з однієї форми енергії в іншу. Важливим наслідком цього принципу є те, що загальна енергія системи залишається незмінною, тому вона однакова до і після кожного перетворення.
Якщо ми повернемося до того, що насправді важливо, до нашої атомної електростанції, ми побачимо, що енергія, що міститься в ядрі атома, виділяється у вигляді тепла (отже, ми отримуємо термальна енергія), незалежно від того, вдаємось до процедури поділу або ядерного синтезу. Саме в цьому полягає функція ядерного реактора: перетворювати ядерну енергію, що міститься в атомах, в теплову енергію.
Трохи нижче цієї останньої форми енергії частина води в резервуарі випаровується, з’являючись пара під високим тиском, і, отже, наділена Кінетична енергія, якою володіють тіла завдяки їх руху. Кінетична енергія рухомої водяної пари перетворюється на механічна енергія перетворивши турбіни атомної електростанції, і, нарешті, вона знову перетворюється, цього разу на електрична енергія, завдяки роботі генератора, який відповідає за виробництво електроенергії, яка, серед іншого, надходить до наших будинків.
Дві різні стратегії
Як ми щойно побачили, безпосередня функція як реактора, що використовує ядерний поділ, так і реактора ядерного синтезу є абсолютно однаковою: виробляти водяну пару при високій температурі, в кінці процесу та через перетворення, які ми щойно бачили ., генерувати електричну енергію.
Цікаво, що основний принцип роботи електростанцій, які використовують як паливо нафту, вугілля або газ, є абсолютно однаковим: нагрівання води в резервуарі для виробництва пари та харчування турбіни.
Усі комерційні ядерні реактори, які ми використовуємо сьогодні, використовують ділення, а не ядерний синтез.
Тут випливає схожість між поділом та ядерним синтезом. Атомні електростанції, якими ми зараз користуємось вдаються до ядерного поділу, а не злиття. Без винятку. І це тому, що хоча експериментальні реактори вже показали нам, що ядерний синтез працює, це настільки складний процес, що, як ми побачимо пізніше, фізики та інженери ще не знайшли способу, щоб реакція синтезу вела себе стабільно довгий час.
Це означає, що синтез не може підтримуватися протягом дуже довгого періоду з позитивним енергетичним балансом (в результаті процесу отримується більше енергії, ніж потрібно інвестувати для його запуску) і повністю контрольований спосіб.
І справа в тому, що якщо метою ядерного розподілу є отримання енергії, що «розщеплює» ядро атома, то ядерний синтез повинен це зробити з’єднання двох легких ядер сформувати важчий. І на сьогоднішній день ми знаємо з набагато більшою точністю, як здійснювати розподіл контрольованим способом.
Делення ядер, докладно
Як ми бачили кілька рядків вище, цей процес, який зараз використовується на атомних електростанціях, складається розбити ядро атома у двох і більше ядрах, щоб виділити частину енергії, що міститься в ній. Але ми не можемо фрагментувати ядро будь-якого атома. Теоретично це можна зробити, але на практиці цікавим є використання атома, який відносно "легко і дешево" розбити. А той для урану 235 є.
Уран - хімічний елемент, який ми можемо знайти в природі дуже низькі концентрації, зазвичай на скелях, ґрунті та воді. Отже, його отримання є дорогим, а його обробка комплексною, оскільки вимагає проведення хімічних процесів, здатних відокремити його від інших елементів та домішок, з якими він зазвичай живе. Він має 92 протони і стільки ж електронів, що обертаються навколо ядра, і останнє включає, крім протонів, між 142 і 146 нейтронами.
Важливо пам’ятати, що ядро атома, як правило, складається з певної кількості протонів і нейтронів (хоча і не завжди: протій, найпоширеніший ізотоп водню, має лише один протон, а в його ядрі немає нейтронів) як електронами, які обертаються навколо нього. Той факт, що кількість нейтронів в ядрі урану може змінюватися, як ми щойно бачили, говорить нам про це є кілька ізотопів цього хімічного елемента, що є не чим іншим, як атомами з однаковою кількістю протонів та електронів, але різною кількістю нейтронів.
Причиною використання атома урану 235 в реакторах ядерного поділу, а не іншого ізотопу цього елемента чи будь-якого іншого хімічного елемента, є те, що коли його ядро бомбардується нейтроном (процес, відомий як індуковане ділення) уран 235 перетворюється на уран 236, який є нестійким елементом. Це просто означає, що уран 236 не може довго залишатися у своєму поточному стані, тому він ділиться на два ядра, одне з барію 144, а інше з криптону 89, а також виділяє два-три нейтрони.
І тут відбувається справді цікаве: сума мас ядер барію 144 і криптону 89 трохи менше, ніж ядра урану 236, з якого вони походять (близько 0,1% вихідної маси "зникає"). Куди поділася зникла маса? Відповідь лише одна: перетворився на енергію. Формула E = mc 2, мабуть, найпопулярніша в історії фізики, стосується маси та енергії, і в ній просто сказано, що певна кількість маси дорівнює певній кількості енергії, хоча маса перебуває в стані спокою.
Насправді, еквівалентність між масою та енергією, запропонована Альбертом Ейнштейном у 1905 р. (Як бачиш, більше століття тому), говорить нам про ще щось дуже важливе. С у формулі представляє швидкість світла у вакуумі, яка, як ми всі здогадуємось, є дуже великою кількістю (приблизно 3 х 10 8 м/с). Крім того, він має квадрат, що означає, що навіть дуже, дуже мала маса, така як частина ядра атома, навіть якщо вона знаходиться в стані спокою, містить величину дуже велика енергія. Це те, що ми знаємо як енергію відпочинку.
Якщо маса перебуває в русі, її загальна енергія перевищує енергію спокою. І якщо ми спостерігаємо еквівалентність між масою та енергією, неважко усвідомити, що маса тіла, що рухається, також більша, ніж його маса в спокої, явище, яке повністю вводить нас у релятивістську фізику, і з яким ми матимемо справу детальніше в іншому дописі. У будь-якому випадку енергія, яку ми отримуємо при сплавленні або поділі атомних ядер, походить від сили, яка утримує їх разом: сильний ядерний.
Розуміння з певною точністю зв'язку між масою та енергією є важливим, оскільки це допомагає нам зрозуміти, як можливо, що така мала маса, як маса атома, дозволяє нам отримати таку велику кількість енергії. У будь-якому випадку, процес поділу ядер на цьому не закінчується. І це те, що кожен з нейтронів, який ми отримали в результаті розкладання ядра урану 236 в ядрах барію 144 і криптону 89, може взаємодіяти з іншими ядрами, що діляться, викликаючи ланцюгову реакцію.
Однак не всі нейтрони, що виділяються під час розпаду ядра урану 236, будуть взаємодіяти з ядром, що ділиться. Але це не обов'язково. Досить, що лише один із цих нейтронів робить це, щоб ми отримали стабільну кількість розщеплень, а отже, контрольована реакція, яка мета реакторів атомних електростанцій.
Природний синтез у зірках
Наших вчених та інженерів часто надихають механізми природи, щоб запропонувати рішення для потреб людини. Саме це має на меті ядерний синтез. Насправді ядерний термоядерний реактор імітує явища, що мають місце в ядрі зірок. З цієї причини варто на мить зупинитися, щоб дізнатися, як народжуються зірки і що відбувається всередині них.
Зірки народжуються з хмар пилу і газу, розкиданих по Всесвіту, і вони починають накопичувати масу завдяки гравітаційне скорочення (сила тяжіння збирає і ущільнює всі ці елементи). Близько 70% його маси - це водень (насправді це протій, ізотоп водню, про який ми говорили декілька абзаців вище, і який має ядро з одним протоном та електроном на своїй орбіті), від 24 до 26% гелію, а решта 4-6% - це поєднання хімічних елементів, важчих за гелій.
Еволюція зірки визначається її початковою масою та хімічним складом, тому малий відсоток хімічних елементів, важчих за гелій, є вирішальним у житті кожної зірки, а також будь-які зміни, що відбуваються навколо неї. % водню. Чим масивніша зірка, швидше він вичерпує своє джерело енергії, тому кожен з них має унікальну та відмінну поведінку від інших.
В даний час існують комп’ютерні засоби, які дозволяють фізикам розмножуватися як еволюціонують зірки від часу гравітаційного колапсу до завершальних фаз свого життя. Але найцікавіше те, що ці складні обчислювальні обчислення проводяться лише з чотирьох диференціальних рівнянь, в яких через свою складність ми не збираємося вникати, але які варто згадати, щоб, принаймні, вони звучали звично нам трохи кожному на випадок, якщо хтось із вас захоче дізнатись більше в цьому розділі.
Перший - це рівняння маси, який припускає, що в центрі зірки маса дорівнює нулю і в її атмосфері ми маємо загальну масу. Другий - це рівняння гідростатичної рівноваги, який показує, як гравітація зірки протидіє тиску газу та тиску випромінювання, щоб утримати зірку в рівновазі. Третім є рівняння виробництва енергії, що аналізує, як зірка отримує енергію від реакцій синтезу, що відбуваються всередині неї, а також від гравітаційного стиснення, про яке ми говорили раніше. І, нарешті, рівняння транспорту енергії, який вивчає спосіб транспортування енергії від ядра зірки назовні.
У кожному разі, насправді нам цікаво знати, що, оскільки гравітаційне стиснення, про яке ми говорили раніше, збирає елементи початкової хмари пилу і газу, ця «дитяча зірка» нагрівається, і її тиск - це збільшується. І так триває доти, поки не настає момент, коли температура і тиск будуть настільки високими, що спричинять займання «ядерної печі», що є не чим іншим, як природним злиттям ядер водню з утворенням гелію.
Зірки народжуються із хмар пилу та газу та накопичують масу завдяки гравітаційному скороченню.
Ядра водню, піддані дуже високому тиску і температурі, стикаються через свою високу кінетичну енергію на таких високих швидкостях, що вони здатні подолати своє природне електричне відштовхування (їх заряд позитивний, тому вони відштовхують одне одного), а отже, вони досить близькі, щоб сильна ядерна сила, яка утримує частинки ядра атомів разом, була здатна протидіяти цьому відразі і відбувається злиття.
Як ми бачили, об'єднання двох атомів Гідрогену генерує гелій, і виділяється велика кількість енергії, що відповідає тому ж принципу, про який ми говорили, коли побачили, у чому полягає еквівалентність між масою та енергією. Але, безумовно, ви погодитесь зі мною, що найдивовижніше з усіх полягає в тому, що процес плавлення двох атомів водню для отримання одного гелію, який є найпростішим із цього типу квантів, що має місце в природі, є першою будівельною цеглою всі хімічні елементи що ми можемо знайти у Всесвіті.
Це просто означає, що вуглець, з якого ми виготовлені, частково був вироблений в ядрах зірок. Це не поетична ліцензія. Ми буквально зроблені із зоряного пилу. А кисень, свинець, магній, натрій, золото ... Усі хімічні елементи, що складають не тільки нас, але і все, що нас оточує, виготовлені в зоряному ядрі завдяки реакціям синтезу і поширюються по Всесвіту надновими, які мають місце на останніх стадіях життя зірок.
Імітуючи силу зірок
Як я передбачав кілька абзаців вище, фізики та інженери, які беруть участь у проектуванні та будівництві експериментальних реакторів ядерного синтезу, намагаються імітувати те, що відбувається всередині зірок, з метою отримати велику кількість енергії. Але є щось, що ми повинні взяти до уваги: в даний момент ми не можемо створити гравітаційний тиск настільки високий, як той, що відбувається всередині зірок природним шляхом, через гравітаційне обмеження, тому необхідно вдаватися до елементів, які легше сплавити, а також потрібно піддавати температурі до двохсот мільйонів градусів Цельсія.
Ця температура становить вдесятеро вище, навіть те, що ми можемо знайти в центрі нашого Сонця, що дозволяє нам зрозуміти величезну складність ядерного синтезу, який ми здійснюємо на Землі. З іншого боку, в даний час вченим вдалося злити два ядра дейтерію і тритію, які є ізотопами водню, які мають, крім протона та електрона, як я бачив раніше, нейтрон у своєму ядрі перший і два нейтрони секунда.
Чому ми використовуємо дейтерій і тритій, а не протий, як це роблять зірки? Всі вони є ізотопами водню, але легше відтворити умови, необхідні для злиття ядер дейтерію та тритію, ніж досягти того, щоб ядра протию злилися. Крім того, дейтерій є стабільним ізотопом дуже багато в природі. Насправді ми можемо знайти один атом дейтерію у воді на кожні 6500 атомів водню, що зовсім не погано. Або 34 грами дейтерію на кожен кубічний метр морської води.
Дейтерій та літій - елементи, необхідні нам для забезпечення ядерного синтезу, дуже великі
З іншого боку, тритій, м’яко кажучи, делікатніший. За своєю природою він набагато рідше, ніж дейтерій, а також він нестійкий, а значить, є радіоактивним і швидко розпадається. Але, на щастя, ми можемо отримати його, зливши нейтрон з ядром одного з ізотопів літію, який, як і дейтерій, є хімічним елементом дуже багато в природі (особливо в морській воді).
Найцікавіше, що стосується ядерного синтезу, який ми зараз проводимо в наших експериментальних реакторах, - це те, що в результаті злиття ядер дейтерію та тритію ми отримуємо ядро гелію та нейтрон. Точніше, останнім є нейтрон, який після сплавлення з ізотопом літію дозволяє отримати ядро тритію, останній елемент, який ми можемо використовувати повторно відновити процес ядерного синтезу.
Цікаво думати, що вчені розпочали роботу над ядерним синтезом майже п'ятдесят років тому, саме тоді вони розробили перші техніки магнітного утримання. Тим не менше, залишаються величезні проблеми що потрібно буде вирішити до того, як комерційний реактор ядерного синтезу побачить світло. Ми обговоримо ці виклики, переваги термоядерного синтезу перед поділом, сучасний стан ядерного синтезу та те, як він буде розвиватися в майбутньому, ми детально поговоримо в наступній статті, яка, як я сподіваюсь, вам здасться цікавою чи не лише цією.
Зображення обкладинки | Engin_Akyurt
Зображення | ВМТ | Вікімедіа | pxhere | Пікселів