Ջերմամիջուկային էներգիան ապագա ունի՞։

2024 Հեղինակ: Seth Attwood | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2023-12-16 16:07

Ավելի քան կես դար գիտնականները փորձում են Երկրի վրա մեքենա ստեղծել, որում, ինչպես աստղերի աղիքներում, տեղի է ունենում ջերմամիջուկային ռեակցիա։ Կառավարվող ջերմամիջուկային միաձուլման տեխնոլոգիան մարդկությանը խոստանում է մաքուր էներգիայի գրեթե անսպառ աղբյուր։ Խորհրդային գիտնականները եղել են այս տեխնոլոգիայի սկզբնավորումը, և այժմ Ռուսաստանը օգնում է կառուցել աշխարհում ամենամեծ fusion ռեակտորը:

Ատոմի միջուկի մասերը իրար են պահում հսկայական ուժով։ Այն ազատելու երկու եղանակ կա. Առաջին մեթոդը խոշոր ծանր միջուկների տրոհման էներգիան օգտագործելն է պարբերական համակարգի ամենահեռավոր ծայրից՝ ուրան, պլուտոնիում: Երկրի վրա գտնվող բոլոր ատոմակայաններում էներգիայի աղբյուրը հենց ծանր միջուկների քայքայումն է:

Բայց կա նաև ատոմի էներգիան ազատելու երկրորդ միջոցը՝ ոչ թե բաժանել, այլ ընդհակառակը, միավորել միջուկները։ Միաձուլման ժամանակ դրանցից ոմանք արձակում են նույնիսկ ավելի շատ էներգիա, քան տրոհվող ուրանի միջուկները: Որքան թեթև է միջուկը, այնքան ավելի շատ էներգիա կթողարկվի միաձուլման ժամանակ (ինչպես ասում են՝ միաձուլում), ուստի միջուկային միաձուլման էներգիա ստանալու ամենաարդյունավետ միջոցը ամենաթեթև տարրի՝ ջրածնի միջուկներին և նրա իզոտոպներին ստիպելն է միաձուլվել։.

Ձեռքի աստղ. ամուր առավելություններ

Միջուկային միաձուլումը հայտնաբերվել է 1930-ական թվականներին՝ ուսումնասիրելով աստղերի ինտերիերում տեղի ունեցող գործընթացները։ Պարզվեց, որ միջուկային միաձուլման ռեակցիաները տեղի են ունենում յուրաքանչյուր արևի ներսում, և լույսն ու ջերմությունը նրա արտադրանքն են։ Հենց դա պարզ դարձավ, գիտնականները մտածեցին, թե ինչպես կրկնել այն, ինչ կատարվում է Արեգակի աղիքներում Երկրի վրա: Էներգիայի բոլոր հայտնի աղբյուրների համեմատ՝ «ձեռքի արևն» ունի մի շարք անվիճելի առավելություններ.

Նախ, սովորական ջրածինը ծառայում է որպես դրա վառելիք, որի պաշարները Երկրի վրա կպահպանվեն հազարավոր տարիներ: Անգամ հաշվի առնելով այն փաստը, որ ռեակցիայի համար պահանջվում է ոչ ամենատարածված իզոտոպը՝ դեյտերիումը, մեկ բաժակ ջուրը բավական է փոքր քաղաքին մեկ շաբաթ էլեկտրաէներգիա ապահովելու համար։ Երկրորդը, ի տարբերություն ածխաջրածինների այրման, միջուկային միաձուլման ռեակցիան չի առաջացնում թունավոր արտադրանք, միայն չեզոք գազ հելիում:

Միաձուլման էներգիայի առավելությունները

Վառելիքի գրեթե անսահմանափակ պաշար: Միաձուլման ռեակտորում ջրածնի իզոտոպները՝ դեյտերիումը և տրիտումը, աշխատում են որպես վառելիք. կարող եք նաև օգտագործել հելիում-3 իզոտոպը: Ծովի ջրում շատ դեյտերիում կա. այն կարելի է ձեռք բերել սովորական էլեկտրոլիզի միջոցով, և դրա պաշարները Համաշխարհային օվկիանոսում կբավականացնեն մոտ 300 միլիոն տարի՝ մարդկության ներկայիս պահանջարկի դեպքում էներգիայի համար:

Բնության մեջ շատ ավելի քիչ տրիտում կա, այն արհեստականորեն արտադրվում է միջուկային ռեակտորներում, բայց շատ քիչ բան է անհրաժեշտ ջերմամիջուկային ռեակցիայի համար: Երկրի վրա հելիում-3 գրեթե չկա, բայց լուսնային հողում շատ կա։ Եթե մի օր մենք ունենանք ջերմամիջուկային էներգիա, հավանաբար հնարավոր կլինի թռչել Լուսին դրա համար վառելիք ստանալու համար:

Ոչ մի պայթյուն: Ջերմամիջուկային ռեակցիա ստեղծելու և պահպանելու համար շատ էներգիա է պահանջվում: Հենց դադարում է էներգիայի մատակարարումը, ռեակցիան դադարում է, և հարյուր միլիոնավոր աստիճան տաքացած պլազման դադարում է գոյություն ունենալ։ Հետևաբար, միաձուլման ռեակտորն ավելի դժվար է միացնել, քան անջատել:

Ցածր ռադիոակտիվություն. Ջերմամիջուկային ռեակցիան առաջացնում է նեյտրոնների հոսք, որոնք արտանետվում են մագնիսական թակարդից և նստում վակուումային խցիկի պատերին՝ դարձնելով այն ռադիոակտիվ։ Ստեղծելով հատուկ «վերմակ» (վերմակ) պլազմայի պարագծի շուրջ՝ դանդաղեցնելով նեյտրոնները՝ հնարավոր է ամբողջությամբ պաշտպանել ռեակտորի շուրջ տարածությունը։ Վերմակն ինքնին ժամանակի ընթացքում անխուսափելիորեն դառնում է ռադիոակտիվ, բայց ոչ երկար: Թույլ տալով, որ այն հանգստանա 20-30 տարի, դուք կրկին կարող եք նյութ ստանալ բնական ֆոնային ճառագայթմամբ։

Վառելիքի արտահոսք չկա: Վառելիքի արտահոսքի վտանգ միշտ կա, բայց միաձուլման ռեակտորը այնքան քիչ վառելիք է պահանջում, որ նույնիսկ ամբողջական արտահոսքը չի սպառնում շրջակա միջավայրին: Օրինակ, ITER-ի գործարկումը կպահանջի ընդամենը մոտ 3 կգ տրիտիում և մի փոքր ավելի շատ դեյտերիում: Նույնիսկ ամենավատ սցենարի դեպքում ռադիոակտիվ իզոտոպների այս քանակությունը արագորեն կցրվի ջրում և օդում և ոչ ոքի վնաս չի պատճառի:

Զենք չկա: Ջերմամիջուկային ռեակտորը չի արտադրում նյութեր, որոնք կարող են օգտագործվել ատոմային զենք ստեղծելու համար։ Ուստի վտանգ չկա, որ ջերմամիջուկային էներգիայի տարածումը կհանգեցնի միջուկային մրցավազքի։

Ինչպես լուսավորել «արհեստական արևը», ընդհանուր առմամբ, պարզ դարձավ արդեն անցյալ դարի հիսունական թվականներին։ Օվկիանոսի երկու կողմերում կատարվել են հաշվարկներ, որոնք սահմանել են վերահսկվող միջուկային միաձուլման ռեակցիայի հիմնական պարամետրերը։ Այն պետք է տեղի ունենա հարյուր միլիոնավոր աստիճանի հսկայական ջերմաստիճանում. նման պայմաններում էլեկտրոնները պոկվում են իրենց միջուկներից: Ուստի այս ռեակցիան կոչվում է նաև ջերմամիջուկային միաձուլում։ Մերկ միջուկները, ահռելի արագությամբ բախվելով միմյանց, հաղթահարում են Կուլոնյան վանումը և միաձուլվում։

Խնդիրներ և լուծումներ

Առաջին տասնամյակների խանդավառությունը մխրճվեց առաջադրանքի անհավանական բարդության մեջ: Ջերմամիջուկային միաձուլման գործարկումը համեմատաբար հեշտ է ստացվել, եթե դա կատարվի պայթյունի տեսքով: Խաղաղ օվկիանոսի ատոլները և Սեմիպալատինսկում և Նովայա Զեմլյայում գտնվող խորհրդային փորձադաշտերը զգացել են ջերմամիջուկային ռեակցիայի ողջ հզորությունը արդեն հետպատերազմյան առաջին տասնամյակում:

Բայց այս հզորության օգտագործումը, բացառությամբ ոչնչացման, շատ ավելի դժվար է, քան ջերմամիջուկային լիցքը պայթեցնելը: Էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար ջերմամիջուկային էներգիան օգտագործելու համար ռեակցիան պետք է իրականացվի վերահսկվող եղանակով, որպեսզի էներգիան անջատվի փոքր մասերում:

Ինչպե՞ս դա անել: Այն միջավայրը, որտեղ տեղի է ունենում ջերմամիջուկային ռեակցիա, կոչվում է պլազմա։ Այն նման է գազին, միայն ի տարբերություն սովորական գազի այն բաղկացած է լիցքավորված մասնիկներից։ Իսկ լիցքավորված մասնիկների վարքագիծը կարելի է կառավարել էլեկտրական և մագնիսական դաշտերի միջոցով։

Հետևաբար, իր ամենաընդհանուր ձևով ջերմամիջուկային ռեակտորը պլազմային թրոմբ է, որը թակարդված է հաղորդիչների և մագնիսների մեջ: Նրանք կանխում են պլազմայի փախուստը, և մինչ նրանք դա անում են, ատոմային միջուկները միաձուլվում են պլազմայի ներսում, ինչի արդյունքում էներգիա է անջատվում։ Այս էներգիան պետք է հեռացվի ռեակտորից, օգտագործվի հովացուցիչ նյութը տաքացնելու համար, և պետք է էլեկտրաէներգիա ստանալ:

Թակարդներ և արտահոսքեր

Պարզվեց, որ պլազման ամենաքմահաճ նյութն է, որին ստիպված են եղել դիմակայել Երկրի վրա գտնվող մարդիկ: Ամեն անգամ, երբ գիտնականները պլազմայի արտահոսքի մի տեսակ արգելափակելու միջոց էին գտնում, հայտնաբերում էին նորը: 20-րդ դարի ամբողջ երկրորդ կեսը ծախսվել է պլազմայի ռեակտորի ներսում ցանկացած նշանակալի ժամանակ պահելու սովորելու վրա: Այս խնդիրը սկսեց ի հայտ գալ միայն մեր օրերում, երբ հայտնվեցին հզոր համակարգիչներ, որոնք հնարավորություն տվեցին ստեղծել պլազմայի վարքագծի մաթեմատիկական մոդելներ։

Դեռևս չկա կոնսենսուս, թե որ մեթոդն է լավագույնը պլազմային մեկուսացման համար: Ամենահայտնի մոդելը՝ tokamak-ը, պոնչիկ ձևով վակուումային խցիկ է (ինչպես ասում են մաթեմատիկոսները՝ տորուս), որի ներսում և դրսից պլազմային թակարդներ կան։ Այս կոնֆիգուրացիան կունենա աշխարհում ամենամեծ և ամենաթանկ ջերմամիջուկային կայանքը՝ ITER ռեակտորը, որը ներկայումս կառուցվում է Ֆրանսիայի հարավում:

Բացի tokamak-ից, կան նաև ջերմամիջուկային ռեակտորների բազմաթիվ հնարավոր կոնֆիգուրացիաներ՝ գնդաձև, ինչպես Սանկտ Պետերբուրգի Globus-M-ում, տարօրինակ կոր աստղագուշակներ (ինչպես Wendelstein 7-X-ը Գերմանիայի Մաքս Պլանկի միջուկային ֆիզիկայի ինստիտուտում), լազերային: իներցիոն թակարդներ, ինչպիսիք են ամերիկյան NIF-ը: Նրանք շատ ավելի քիչ են արժանանում լրատվամիջոցների ուշադրությանը, քան ITER-ը, բայց նրանք նաև մեծ ակնկալիքներ ունեն:

Կան գիտնականներ, ովքեր աստղային սարքի նախագծումը սկզբունքորեն ավելի հաջողակ են համարում, քան tokamak-ը. այն ավելի էժան է կառուցել, իսկ պլազմային սահմանափակման ժամանակը խոստանում է շատ ավելին տալ:Էներգիայի ավելացումն ապահովում է հենց պլազմային թակարդի երկրաչափությունը, որը թույլ է տալիս ազատվել «բլիթին» բնորոշ մակաբույծ ազդեցություններից և արտահոսքերից։ Լազերային պոմպային տարբերակն ունի նաև իր առավելությունները.

Դրանցում առկա ջրածնային վառելիքը լազերային իմպուլսներով տաքացվում է մինչև անհրաժեշտ ջերմաստիճանը, և միաձուլման ռեակցիան սկսվում է գրեթե ակնթարթորեն։ Նման կայանքներում պլազման պահվում է իներցիայով և ժամանակ չունի ցրվելու. ամեն ինչ այնքան արագ է տեղի ունենում:

Ամբողջ աշխարհը

Այսօր աշխարհում գոյություն ունեցող բոլոր ջերմամիջուկային ռեակտորները փորձարարական մեքենաներ են։ Դրանցից ոչ մեկը չի օգտագործվում էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար։ Ոչ մեկին դեռ չի հաջողվել կատարել ջերմամիջուկային ռեակցիայի հիմնական չափանիշը (Լոուսոնի չափանիշը՝ ստանալ ավելի շատ էներգիա, քան ծախսվել է ռեակցիայի ստեղծման վրա: Ուստի համաշխարհային հանրությունը կենտրոնացել է հսկա ITER նախագծի վրա: Եթե Lawson-ի չափանիշը բավարարվի ITER-ում, ապա հնարավոր կլինի կատարելագործել տեխնոլոգիան և փորձել այն տեղափոխել առևտրային ռելսեր:

Աշխարհի ոչ մի երկիր միայնակ չի կարող կառուցել ITER: Նրան անհրաժեշտ են միայն 100 հազար կմ գերհաղորդիչ լարեր, ինչպես նաև տասնյակ գերհաղորդիչ մագնիսներ և պլազմա պահելու հսկա կենտրոնական էլեկտրամագնիսական համակարգ, օղակում բարձր վակուում ստեղծելու համակարգ, մագնիսների համար հելիումի հովացուցիչներ, կարգավորիչներ, էլեկտրոնիկա… Հետևաբար, նախագիծը կառուցում է 35 երկիր և ավելին՝ միանգամից հազարավոր գիտական ինստիտուտներ և գործարաններ։

Ռուսաստանը նախագծին մասնակցող հիմնական երկրներից է. Ռուսաստանում նախագծվում և կառուցվում են ապագա ռեակտորի 25 տեխնոլոգիական համակարգեր։ Սրանք գերհաղորդիչներ են, պլազմային պարամետրերի չափման համակարգեր, ավտոմատ կարգավորիչներ և դիվերտորի բաղադրիչներ՝ թոքամաքի ներքին պատի ամենաթեժ հատվածը։

ITER-ի գործարկումից հետո ռուս գիտնականներին հասանելի կլինեն նրա բոլոր փորձնական տվյալները: Սակայն ITER-ի արձագանքը կզգացվի ոչ միայն գիտության մեջ. այժմ որոշ շրջաններում հայտնվել են արտադրական օբյեկտներ, որոնք նախկինում Ռուսաստանում գոյություն չունեին։ Օրինակ, մինչ ծրագրի մեկնարկը մեր երկրում գերհաղորդիչ նյութերի արդյունաբերական արտադրություն չկար, իսկ ամբողջ աշխարհում արտադրվում էր տարեկան ընդամենը 15 տոննա։ Այժմ միայն «Ռոսատոմ» պետական կորպորացիայի Չեպեցկի մեխանիկական գործարանում է հնարավոր արտադրել տարեկան 60 տոննա։

Էներգիայի ապագան և դրանից դուրս

ITER-ում առաջին պլազման նախատեսվում է ստանալ 2025 թվականին։ Ամբողջ աշխարհը սպասում է այս իրադարձությանը։ Բայց մեկ, նույնիսկ ամենահզոր մեքենան դեռ ամենը չէ: Ամբողջ աշխարհում և Ռուսաստանում շարունակում են նոր ջերմամիջուկային ռեակտորների կառուցումը, ինչը կօգնի վերջապես հասկանալ պլազմայի վարքագիծը և գտնել այն օգտագործելու լավագույն միջոցը։

Արդեն 2020 թվականի վերջին Կուրչատովի ինստիտուտը պատրաստվում է գործարկել նոր tokamak T-15MD, որը կդառնա միջուկային և ջերմամիջուկային տարրերով հիբրիդային կայանքի մաս։ Նեյտրոնները, որոնք ձևավորվում են ջերմամիջուկային ռեակցիայի գոտում, հիբրիդային տեղակայման մեջ կօգտագործվեն ծանր միջուկների՝ ուրանի և թորիումի տրոհումը սկսելու համար։ Հետագայում նման հիբրիդային մեքենաները կարող են օգտագործվել սովորական միջուկային ռեակտորների համար վառելիք արտադրելու համար՝ ինչպես ջերմային, այնպես էլ արագ նեյտրոններ:

Թորիումի փրկություն

Հատկապես գայթակղիչ է ջերմամիջուկային «միջուկը» որպես նեյտրոնների աղբյուր օգտագործելու հեռանկարը՝ թորիումի միջուկներում քայքայումը սկսելու համար: Մոլորակի վրա ավելի շատ թորիում կա, քան ուրան, և դրա օգտագործումը որպես միջուկային վառելիք լուծում է ժամանակակից միջուկային էներգիայի միանգամից մի քանի խնդիր։

Այսպիսով, թորիումի քայքայված արտադրանքը չի կարող օգտագործվել ռազմական ռադիոակտիվ նյութեր արտադրելու համար։ Նման օգտագործման հնարավորությունը ծառայում է որպես քաղաքական գործոն, որը հետ է պահում փոքր երկրներին սեփական միջուկային էներգիան զարգացնելուց։ Թորիումի վառելիքը մեկընդմիշտ լուծում է այս խնդիրը։

Պլազմային թակարդները կարող են օգտակար լինել ոչ միայն էներգիայի, այլև խաղաղ արդյունաբերության այլ ոլորտներում՝ նույնիսկ տիեզերքում: Այժմ «Ռոսատոմը» և Կուրչատովի ինստիտուտն աշխատում են տիեզերանավերի համար առանց էլեկտրոդի պլազմային հրթիռային շարժիչի բաղադրիչների և նյութերի պլազմային մոդիֆիկացիայի համակարգերի վրա:Ռուսաստանի մասնակցությունը ITER նախագծին խթանում է արդյունաբերությունը, ինչը հանգեցնում է նոր ճյուղերի ստեղծմանը, որոնք արդեն հիմք են հանդիսանում ռուսական նոր զարգացումների համար: