В декабре прошлого года физики, работающие над термоядерным синтезом, заявили о прорыве. Команда из (NIF) в Калифорнии объявила, что она извлекла больше энергии из контролируемой реакции ядерного синтеза, чем было использовано для ее запуска. Это был первый в мире и значительный шаг для физики, но очень далекий от практического использования термоядерного синтеза в качестве источника энергии. Громкое объявление вызвало знакомую картину реакции на исследования термоядерного синтеза: признание сторонников технологии и сомнения скептиков, которые жалуются, что ученые постоянно обещают, что термоядерный синтез произойдет всего через 20 лет (или 30 или 50, на ваш выбор).
Эти пылкие реакции отражают высокие ставки на термоядерный синтез. Мир все больше отчаянно нуждается в обильном источнике чистой энергии, который может смягчить климатический кризис, вызванный сжиганием ископаемого топлива. Ядерный синтез - слияние легких атомных ядер - может производить энергию с почти нулевыми выбросами углерода, не создавая опасных радиоактивных отходов, связанных с сегодняшними ядерными реакторами деления, которые расщепляют очень тяжелые ядра радиоактивных элементов. Физики изучают термоядерную энергию с 1950-х годов, но превращение ее в практический источник энергии остается удручающе труднодостижимым. Станет ли он когда-нибудь значительным источником энергии для нашей энергоемкой планеты, и если да, то прибудет ли он вовремя, чтобы спасти Землю от расплавления.
Последний вопрос является одним из немногих в этой области, на который есть четкий ответ. Большинство экспертов сходятся во мнении, что мы вряд ли сможем генерировать крупномасштабную энергию из ядерного синтеза примерно до 2050 года (осторожные могут добавить еще одно десятилетие).
Таким образом, декарбонизация к середине века будет зависеть от других технологий: возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая энергия; ядерное деление; и, возможно, методы улавливания углерода. Однако, глядя дальше, есть веские основания полагать, что термоядерный синтез станет ключевой частью энергетической экономики во второй половине века, когда все больше развивающихся стран начнут требовать энергетических бюджетов западного размера. И решение проблемы изменения климата - дело не разовое.
Ядерный синтез был признан потенциальным источником энергии почти сразу после открытия. На совещании по подведению итогов Манхэттенского проекта в конце 1945 года итальянский физик Энрико Ферми, который руководил проектом по строительству первого реактора деления в Чикаго во время Второй мировой войны, предполагал термоядерные реакторы для производства электроэнергии. Ученые выяснили, как высвободить энергию синтеза несколько лет спустя, но только в неконтролируемых взрывах водородных бомб.
Но проблемы оказались намного серьезнее, чем ожидалось. Слияние двух атомов водорода с образованием гелия является основным процессом, который питает Солнце и другие звезды. Когда такие легкие атомные ядра объединяются, они высвобождают огромное количество энергии. Но поскольку эти ядра имеют положительные электрические заряды, они отталкиваются друг от друга, и требуется огромное давление и температура, чтобы преодолеть этот электростатический барьер и заставить их слиться. Если ученым удастся удержать топливо для термоядерного синтеза - плазменную смесь дейтерия и трития, двух тяжелых изотопов водорода, - энергия, выделяющаяся в реакции, может сделать ее самоподдерживающейся. Но как разлить плазму по емкостям при температуре около 100 миллионов кельвинов, что в несколько раз горячее, чем в центре Солнца?
Ни один известный материал не может выдержать таких экстремальных условий; Они мгновенно расплавят даже чрезвычайно жаропрочные металлы, такие как вольфрам. Ответом, который долгое время используется для конструкции реактора, является магнитное удержание: удержание электрически заряженной плазмы в «магнитной бутылке», образованной сильными магнитными полями, чтобы она никогда не касалась стенок термоядерной камеры. Самая популярная конструкция, получившая название токамак и предложенная в 1950-х годах советскими учеными, использует тороидальный (или в форме пончика) контейнер.
Процесс требует изысканного контроля. Невероятно горячая плазма не будет оставаться на месте: она имеет тенденцию развивать большие градиенты температуры, которые генерируют сильные конвекционные потоки, которые делают плазму турбулентной и трудной для управления. Такие неустойчивости, сродни миниатюрным солнечным вспышкам, могут привести плазму в контакт со стенками, повредив их. Другие плазменные неустойчивости могут создавать пучки электронов высокой энергии, которые просверливают отверстия в оболочке реакционной камеры. Подавление или управление этими колебаниями было одной из ключевых проблем для проектировщиков токамаков.
Одним из самых больших препятствий для термоядерного синтеза с магнитным удержанием является потребность в материалах, которые могут выдерживать жесткую нагрузку, которую они получат от плавящейся плазмы. В частности, дейтерий-тритиевый синтез создает интенсивный поток нейтронов высоких энергий, которые сталкиваются с ядрами атомов в металлических стенках и оболочке, вызывая крошечные пятна плавления. Затем металл перекристаллизуется, но ослабляется, а атомы смещаются из своих исходных положений. В оболочке типичного термоядерного реактора каждый атом может быть смещен примерно 100 раз в течение срока службы реактора.
Прогнозирование того, когда появится термоядерная энергия, всегда было рискованным делом, но эксперты в настоящее время в основном сходятся во мнении о приблизительных сроках. Термоядерные установки могут подавать энергию в сеть примерно к 2050 году, а затем могут стать все более важными для энергетической экономики во второй половине века, особенно после 2060 года.
Не забывайте ставить лайк, оставлять комментарии и подписываться на канал. Это очень важно для его существования.