Протягом століть люди мріяли використання сили сонця підживити наше життя тут, на Землі. Але ми хочемо вийти за рамки збирання сонячної енергії, і одного разу генеруємо власну з міні-сонця. Якщо ми зможемо вирішити надзвичайно складний комплекс наукових та інженерних проблем, енергія термоядерного синтезу обіцяє: зелене, безпечне, необмежене джерело енергії. Від просто один кілограм дейтерію, видобутого з води на день може отримати достатньо електроенергії для живлення сотень тисяч будинків.

З 1950 -х років наукові та інженерні дослідження мають принесла величезний прогрес у напрямку змушення атомів водню злитися разом у самопідтримуючій реакції-а також а невелика, але демонстративна сума енергії синтезу. Скептики і прихильники однаково зверніть увагу на дві найважливіші проблеми, що залишилися: підтримання реакцій протягом тривалого періоду часу та розроблення матеріальної структури для використання енергії синтезу електроенергії.

Як дослідники синтезу в Принстонська лабораторія фізики плазми, ми знаємо, що насправді до першої комерційної термоядерної електростанції ще не менше 25 років. Але потенціал його надмірних переваг з’явиться у другій половині цього століття, означає, що ми повинні продовжувати працювати. Великі демонстрації здійснення термоядерного синтезу можна здійснити раніше - і це необхідно, щоб потужність термоядерного синтезу була включена до планування нашого енергетичного майбутнього.

На відміну від інших форм виробництва електроенергії, таких як поділ сонячної енергії, природного газу та ядерного поділу, синтез не можна розробити у мініатюрі, а потім просто розширити. Експериментальні кроки великі і на їх розбудову піде час. Але проблема рясної, чистої енергії буде а головне покликання людства на наступне століття і далі. Було б безглуздо не використовувати в повній мірі ці найперспективніші джерела енергії.

Чому енергія синтезу?

При злитті два ядра атома водню (ізотопи дейтерію та тритію) запобіжник разом. Це зробити порівняно важко: обидва ядра мають позитивний заряд, а тому відштовхуються одне від одного. Тільки якщо вони зіткнуться надзвичайно швидко, вони розбиються разом, зливаються і тим самим вивільняють енергію, яку ми шукаємо.

Це відбувається природним чином на сонці. Тут, на Землі, ми використовуємо потужні магніти, щоб містити надзвичайно гарячий газ з електрично зарядженими ядрами і електродами дейтерію та тритію. Цей гарячий заряджений газ називають плазмою.

Плазма настільки гаряча - більше 100 мільйонів градусів Цельсія - що позитивно заряджені ядра рухаються досить швидко, щоб подолати їх електричне відштовхування та запобіжник. Коли ядра зливаються, вони утворюють дві енергетичні частинки - альфа -частинку (ядро атома гелію) і нейтрон.

Нагрівання плазми до такої високої температури забирає велику кількість енергії, яку потрібно ввести в реактор, перш ніж почати плавлення. Але як тільки він починає працювати, синтез має потенціал виробляти достатню кількість енергії для підтримки власного тепла, що дозволяє нам відводити надлишок тепла, щоб перетворюватися на корисну електрику.

Палива для синтезу електроенергії в природі багато. Дейтерію багато у воді, і сам реактор може виготовляють тритій з літію. І вона доступна для всіх країн, переважно незалежно від місцевих природних ресурсів.

Сила плавлення чиста. Він не виділяє парникових газів і виробляє лише гелій і нейтрон.

Це безпечно. існує відсутність можливості втічної реакції, як "розпад ядерного поділу". Скоріше, якщо є якісь збої, плазма охолоджується, і реакції синтезу припиняються.

Усі ці ознаки мотивували дослідження протягом десятиліть і з часом стали ще привабливішими. Але позитивні сторони відповідають значним науковим викликам синтезу.

Прогрес на сьогоднішній день

Прогрес у плавленні можна виміряти двома способами. По-перше, це величезний прогрес у базовому розумінні високотемпературної плазми. Вченим довелося розробити нову галузь фізики - фізика плазми - розробити методи обмеження плазми сильними магнітними полями, а потім розвинути здатність нагрівати, стабілізувати, контролювати турбулентність і вимірювати властивості надгарячої плазми.

Супутні технології також значно прогресували. Ми маємо просунув кордони магнітами, а також джерела електромагнітних хвиль та пучки частинок до містять і нагрівають плазму. Ми також розробили методи, щоб матеріали витримують сильну спеку плазми в поточних експериментах.

Легко передати практичні показники, які відстежують похід fusion до комерціалізації. Основним з них є енергія термоядерного синтезу, вироблена в лабораторії: генерація електроенергії зросла з міліват на мікросекунди в 1970 -х роках до 10 мегават потужності синтезу (у Принстонській лабораторії фізики плазми) та 16 мегават за одну секунду (на Об’єднаному європейському торі в Англії) у 1990 -х роках.

Нова глава у дослідженні

Зараз міжнародна наукова спільнота працює в єдності над будівництвом величезного науково -дослідного комплексу у Франції. Викликали ІТЕР (Лат. «Шлях»), ця установка буде виробляти близько 500 мегават теплової енергії плавлення протягом приблизно восьми хвилин одночасно. Якщо цю енергію перетворити на електроенергію, вона зможе живити близько 150,000 XNUMX будинків. Як експеримент, це дозволить нам перевірити ключові наукові та технічні питання під час підготовки до термоядерних електростанцій, які працюватимуть безперервно.

ITER використовує дизайн, відомий як "токамак", Спочатку російська абревіатура. Він включає плазму у формі пончика, замкнену в дуже сильному магнітному полі, яке частково створюється електричним струмом, що протікає в самій плазмі.

Незважаючи на те, що він розроблений як дослідницький проект і не призначений як чистий виробник електричної енергії, ITER буде виробляти в 10 разів більше енергії синтезу, ніж 50 мегават, необхідні для нагрівання плазми. Це величезний науковий крок, який створив першийпалаюча плазма, ”Де більшість енергії, яка використовується для нагрівання плазми, надходить від самої реакції плавлення.

ITER підтримується уряди, що представляють половину населення світу: Китай, Європейський Союз, Індія, Японія, Росія, Південна Корея та США Це рішуча міжнародна заява про необхідність та обіцянку термоядерної енергії.

Дорога вперед

Звідси залишився шлях до енергії синтезу має дві складові. По -перше, ми повинні продовжити дослідження токамаку. Це означає просування фізики та техніки, щоб ми могли підтримувати плазму в стаціонарному стані протягом кількох місяців. Нам потрібно буде розробити матеріали, здатні тривалий час витримувати кількість тепла, що дорівнює одній п’ятій теплового потоку на поверхні Сонця. І ми повинні розробити матеріали, які закриють активну зону реактора для поглинання нейтронів і розмноження тритію.

Другим компонентом на шляху до синтезу є розробка ідей, які підвищують привабливість синтезу. Чотири такі ідеї:

1) За допомогою комп’ютерів оптимізуйте конструкції термоядерних реакторів у рамках обмежень фізики та техніки. Окрім того, що можуть обчислити люди, ці оптимізовані конструкції виробляють кручені форми пончиків які є дуже стабільними і можуть працювати автоматично протягом кількох місяців. У ф'южн -бізнесі їх називають «зірками».

2) Розробка нових високотемпературних надпровідних магнітів, які можуть бути сильнішими і меншими за найкращі сьогодні. Це дозволить нам будувати менші та, ймовірно, дешевші термоядерні реактори.

3) Використовувати рідкий метал, а не твердий, як матеріал, що оточує плазму. Рідкі метали не руйнуються, пропонуючи можливе вирішення величезної проблеми, як може поводитися навколишній матеріал, коли він контактує з плазмою.

4) Будівельні системи, що містять плазми у формі пончика з в центрі немає отвору, утворюючи а плазма майже у формі кулі. Деякі з цих підходів також можуть функціонувати зі слабшим магнітним полем. Ці «компактні тори»Та« низькопольові »підходи також пропонують можливість зменшення розміру та вартості.

Державні науково-дослідні програми у всьому світі працюють над елементами обох компонентів - і це призведе до висновків, які принесуть користь усім підходам до енергії синтезу (а також нашому розумінню плазми в космосі та промисловості). За останні 10-15 років, компанії, що фінансуються приватним шляхом, також долучилися до цих зусиль, особливо в пошуках компактних торів і проривів у низьких полях. Прогрес наближається, і він принесе з собою рясну, чисту, безпечну енергію.

про автора

Стюарт Прагер, професор астрофізичних наук, колишній директор Принстонської лабораторії фізики плазми, Прінстонський університет та Майкл С. Зарнсторф, заступник директора з наукових досліджень Принстонської лабораторії фізики плазми, Прінстонський університет

Ця стаття була спочатку опублікована на Бесіда. Читати оригінал статті.

[Примітка редактора: Ось попереджувальне повідомлення стосовно енергії синтезу.]

Схожі книги:

at InnerSelf Market і Amazon