Сколько времени пройдет, прежде чем мы сможем использовать энергию ядерного синтеза?

Ядерный синтез был отмечен

Просто сделай шаг назад. Как солнце производит энергию и как мы можем ей подражать? При ядерном синтезе две маленькие частицы сливаются вместе, образуя два атомных ядра в новый атом. Это преобразует очень небольшое количество массы в энергию. Таким образом, солнце производит свет и тепло.

Синтез против деления
Ядерный синтез и деление ядер, что это значит? Во время ядерного деления (как на наших нынешних атомных электростанциях) вы разделяете внутреннюю часть атома, ядро, на части. Это высвобождает энергию и производит много радиоактивных отходов.

Ядерный синтез — это противоположность, говорит физик Ник Лопес Кардосо: «Вы объединяете два отдельных ядра в атом». Это также высвобождает энергию. Радиоактивные отходы тогда тоже производятся в течение длительного времени, но меньше, чем на нынешних атомных электростанциях: «С 10 000 термоядерными реакторами вы производите столько же радиоактивных отходов, сколько с одним реактором деления».

«Если вы хотите добиться ядерного синтеза на Земле, вам придется имитировать условия Солнца», — говорит Воутер Шрц, профессор ядерных технологий в Университете Хасселта. «Это означает: чрезвычайно высокое давление и температура. Вы создаете это давление, направляя несколько лазеров на элементы и сжимая их.

Другой метод — сплавление частиц с помощью магнитных полей в термоядерном реакторе. Последняя стратегия требует температуры, превышающей 150 миллионов градусов, или в десять раз превышающей температуру центра Солнца.

Относительно безопасный способ производства энергии

Все это звучит серьезно. Однако Лопес Кардозо говорит, что производство электроэнергии таким способом безопаснее, чем процесс на нынешних атомных электростанциях. Эти электростанции работают за счет ядерного деления. Это отличается от ядерного синтеза на Солнце.

«Ядерное деление — это цепная реакция. Поэтому необходимо принять меры, чтобы не допустить его продолжения. бензиновый двигатель.»

«Поэтому термоядерный реактор лучше размещать между домами или рядом с промышленностью», — говорит физик. Это не может выйти из-под контроля. Кроме того, оно более экологично, чем ископаемое топливо, поскольку для его производства требуется относительно небольшое количество материалов.

Наконец, чистая энергия ядерного синтеза

Поэтому ядерный синтез является перспективным источником энергии. И в последнее время это более осуществимо, чем считалось ранее. В конце 2022 года ученые Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (США) представили первые доказательства того, что из него можно извлекать энергию.

ЛОПЕС КАРДОСО: Они стреляли лазерами по небольшому шарику топлива. Имея энергию 2,1 мегаджоуля, они зажгли его и смогли высвободить 3,2 мегаджоуля термоядерной энергии.

Впечатление художника о реакции ядерного синтеза в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса.

Это может показаться много, но физик объясняет, что это эквивалентно энергии примерно двух марсианских стержней. Так что этого недостаточно, чтобы играть серьезную роль на энергетическом рынке.

«Но мы знаем, что как только вы масштабируете проект, количество энергии, которую вы от него получаете, растет намного быстрее, чем энергия, которую вам приходится вкладывать», — говорит Лопес Кардозо. В больших масштабах ядерный синтез мог бы генерировать много энергии, как маленькое солнце на Земле.

Больше прогресса

Этот опыт – не единственный прогресс в этой области. «За последние два-три года многое произошло в области ядерного синтеза», — говорит Лопес Кардозо. Например, многие испытательные термоядерные реакторы уже достигли температуры, необходимой для поддержания синтеза атомных ядер в течение десятков секунд.

Причина ускорения? «Раньше над проектами ядерного синтеза работали только государственные программы. Эти проекты рассчитаны на длительные сроки. Сейчас появляются всевозможные стартапы, которые решают краткосрочные задачи с разных сторон. Да, потому что раньше использовать энергию ядерного синтеза для зарядки. ваш телефон или включите кондиционер, некоторые проблемы еще нужно решить.

Первое препятствие: топливо

Прежде всего, это топливо. Лопес Кардозо: Чтобы получить наиболее легкую реакцию, соединяют две формы водорода: дейтерий и тритий. Вам понадобится около 100 килограммов того и другого на один термоядерный реактор в год. Дейтерий очень распространен в мире, поэтому его легко купить. Но тритий нестабилен и не встречается в природе.

«Этого можно добиться в ядерном реакторе, столкнув небольшую частицу нейтрона с атомом лития». Литий является наиболее распространенным, говорит Лопес Кардосо: «Автомобильные аккумуляторы содержат около пятидесяти килограммов. Таким образом, вам придется покупать около двух Tesla в год, чтобы запустить реактор.

Хотя это не совсем так. В реакторе должно быть больше лития, чем вы используете, потому что нейтроны движутся хаотично и сталкиваются с атомами лития. Следовательно, не каждая частица лития взаимодействует с нейтроном. «На практике вам нужны десятки тонн лития, постоянно присутствующие в реакторе».

Дополнительный шаг
И еще: существует два типа лития, один из которых очень редок. Эта форма вам нужна только для ядерного синтеза. Лопес Кардозо говорит, что процесс разделения очень дорог и его трудно масштабировать: «Он работает для одного реактора, но невозможно построить десять». Прежде чем мы сможем начать использовать ядерный синтез в качестве источника энергии, необходимо найти новое топливное решение.

Второе препятствие: отходы

Другая проблема – радиоактивные отходы. В случае ядерного синтеза этих вещей меньше, чем в случае ядерного деления, но это не совсем ноль. По словам Шруерса, когда дейтерий и тритий сливаются, образуется нейтрон, несущий высвободившуюся энергию.

Эти нейтроны ударяются о стенку термоядерного реактора и таким образом высвобождают свою энергию. В этом тоже есть смысл, ведь таким образом тепло передается воде, которая течет по другой стороне стены (которая вырабатывает электричество). Но столкновения также могут сделать стену радиоактивной.

Если бы через пять лет вы заменили их выветриванием, у вас осталось бы много минералов, которые могли бы быть радиоактивными в течение ста лет. «Вот почему мы должны выбирать материалы, которые как можно меньше активируются нейтронами». Выбор и улучшение правильных материалов на некоторое время займут ученых.

Когда мир будет полагаться на ядерный синтез?

Прежде чем термоядерные реакторы заработают как часы и прежде чем ядерный синтез станет источником энергии для всего мира, стартапам еще придется усердно работать с подходящим топливом и материалами. Но Лопес Кардосо смотрит на ситуацию позитивно: «Различные точки зрения компаний и их динамичный стиль работы увеличивают шансы найти решения и действующий реактор. Сейчас даже правительства инвестируют в эти ускоренные проекты».

Прежде чем ученые начнут работать на термоядерных электростанциях, они проходят обучение на дорогостоящем оборудовании.

Можем ли мы через несколько лет убрать солнечные панели с крыш, потому что существует лучший вариант солнечной энергии? Дела не будут идти так быстро: «Ряд стартапов хотят завершить концептуальную модель примерно к 2030 году», — говорит Лопес Кардосо. «По моим оценкам, примерно через десять лет у нас будет реактор, который можно будет запустить в производство, а еще через десять лет — около десяти термоядерных электростанций».

Вы действительно хотите удовлетворить часть мирового спроса на энергию? «Тогда вам понадобится около 10 000», — говорит Лопес Кардосо. «Пройдет еще пятьдесят лет, прежде чем мы его построим». По его оценкам, мир не сможет работать на солнечной энергии до начала текущего столетия. Хотя количество энергии, вырабатываемой в результате ядерного синтеза, естественным образом накапливается постепенно в предыдущие годы.

Первая сотня тест-драйвов

По оценкам Лопеса Кардозо, первые 100 термоядерных реакторов могут быть построены к 2060 году, но пока не следует ожидать от этого слишком многого: «Вы все еще учитесь, как это делать». Он сравнивает их с первыми солнечными панелями: «Солнечные панели, которые такие люди, как я, установили десять лет назад, были относительно дорогими. Теперь вы можете купить доски получше за небольшие деньги». Первая нагрузка была в основном обучающей, но после этого они стали по-настоящему эффективными.

Термоядерная реакция? Это займет некоторое время. Просто оставьте пока солнечные панели на крыше.

Конечно, мы зависим от желтого шара и в других отношениях. Солнце было необходимо для возникновения жизни на Земле, а солнечный свет позволяет деревьям производить кислород. Скоро мы все будем полагаться на солнечную энергию, но сможете ли вы также стать полностью самодостаточными, используя только солнце и ветер?