Kuidas termotuumasünteesivõim ‘töötab’ ja kas see on kunagi elujõuline?

Kui me tahame jätkata liikidena edasiliikumist ja tarbime inimese kohta üha rohkem jõudu, siis on inimese energiatootmiseks ainult kaks võimalikku lõpp-punkti ja need mõlemad on sulandunud. Kas me mõtleme välja, kuidas leotada ja ära kasutada suur osa Maale langevast energiast meie päikesesüsteemi tohutus kauges termotuumasünteesi reaktsioonis (päikeseenergia), või mõtleme välja, kuidas siin väiksemaid ja paremini juhitavaid liitumisreaktsioone luua ja säilitada Maal (termotuumasüntees). Mõlemal juhul sisaldub energia, mis võib kogu Maa elanikkonnast moodsast esimese maailma elustiilist kaugemale tõusta, universumi enda meigist.



Esimene põhimõte: Aine ja energia on omavahel asendatavad ning teatud filosoofilises mõttes põhimõtteliselt täielikult sama asi. Einstein oli see, kes selle mõtte esmakordselt matemaatilisse vormi pani: energia on võrdne massi ja valguse kiiruse ruuduga (E = mckaks). Pidage meeles, et c, valguse kiirus, on lõplik arv, nii et ckaks on ka piiratud arv - absoluutselt tohutu üks. Niisiis, ilma et vajaksime liiga palju matemaatilist haridust, näeme kohe ühte asja: kui see võrrand on õige, siis ainult väike, väike aine vastab tervikule, tervikuna palju energiat.

termotuumasüntees 2Võtke kaks prootonit (võime mõelda, et need on ühe prootoniga vesiniku elemendi tuumad) ja kaaluge neid. Nüüd ühendage need kaks eraldi prootonit kokku, moodustades ühe prootoni aatomi (heeliumituum), ja kaaluge see toode uuesti. Leiad, et termotuumasünteesitoode kaalub väga, väga, väga veidi vähem kui üksikud prootonid, mis sellesse läksid. Ja kuna me kõik teame, et ainet ei saa luua ega hävitada, on ainult üks võimalik seletus: see ääretult väike kogus kaotatud ainet on muundatud hämmastavalt energiliseks koguseks.



Eelkõige vabaneb see energia soojuse kujul. Põhimõtteliselt peaksime seda energiat saama kasutada samamoodi nagu peaaegu kõiki teisi soojusallikaid: Keetke vett auru saamiseks, et turbiini pöörata elektri tootmiseks. Probleem on ületada kõik praktilised takistused selle tegelikule tegemisele.

JET

Siin on Suurbritannias JETi termotuumasünteesilabori tokamak - väiksem versioon ITERi jaoks mõeldud versioonist



Fusioonivõimsuse esimene probleem on termotuumasüntees ise: kuidas me seda teeme? On mitmeid viise, kuid lihtsamad pole energiatootmiseks üldse kasulikud; termotuumaseade käivitab termotuumasünteesipommi, kasutades näiteks väikese lõhustumispommi plahvatusjõudu, kuid vesinikkütuse pelleti tuumapommitamine pole lihtsalt jätkusuutlik võimalus energiatootmiseks. Teiselt poolt võime juba suure võimsusega osakeste kiirendites üksikute aatomite sulandumist ohutult ja usaldusväärselt sundida, kuid ainult kahe üksiku aatomi ühte sulatamine ei vabasta vajalikku energiahulka. Igal juhul pole osakeste kiirendi ülesehitus soojusenergia kogumiseks.

Röntgen

Röntgenkiirte Z-masin uurib Sandia National Labsi termotuumasünteesi probleeme.

Niisiis, termotuumasünteesi loomise väljakutse on viinud kahe suurema mõttekoolini: kas me kasutame vesiniku proovi kokkuvarisemiseks nii võimsalt ja kiiresti lihtsat füüsilist jõudu, et keskmes olevad aatomid hakkavad sulanduma (nn. inertsiaalne kinnipidamine ) või kasutame vesinikuproovi mahutamiseks suure võimsusega magneteid, kui me seda veelgi kuumutame, et luua lihtsa energia sisestamise abil termotuumasünteesi (nn. magnetiline kinnipidamine ). Inertsiaalne sulgemine peab looma oma implosiivse jõu kõrgtehnoloogiliste laserite patareide või isegi tohutute mehaaniliste haamrite abil, samas kui magnetiline sulgemine nõuab sama peeneid ja kalleid magnetilisi tokamaki puuriseadmeid.

Mõlemal juhul ei ole väljakutse tegelikult termotuumasünteesi loomine, vaid selle säilitamine. Esimene meie loodud sulandumisreaktsioon peab vabastama piisavalt energiat ja tegema seda nii, et see põhjustaks proovis täiendavaid liitumisreaktsioone, mis omakorda põhjustaksid rohkem liitumisreaktsioone jne. Põhimõtteliselt on see kaskaadne reaktsioon, mis jätkub kontrollimatult termotuumapommis, kuid seekord vormis, mida saab kontrollida - enamasti seetõttu, et see toimub kütusegraanulites, mis kaaluvad ainult umbes miljoniku vesinikupommi laaditavast.



Tuumaelektrijaam

Praegu hoitakse termotuumasünteesi elektriskeeme põhimõtteliselt samas kohas: tuumasünteesireaktsioonist saadakse rohkem energiat, kui selle reaktsiooni jätkamiseks on vaja sisestada. Teisisõnu on väljakutseks õppida, kuidas luua termotuumasünteesi vähese energia saamiseks aastal et energia saame välja saab ikkagi kasutada mõne netokoguse elektri tootmiseks. Kõik tänapäevased uurimisreaktorid võivad luua termotuumasünteesi ja enamik suudab seda isegi mingil määral säilitada, kuid praegu peavad nad kõik selleks kulutama palju rohkem elektrit, kui nende termotuumasünteesireaktsiooni saaks kunagi kasutada.

Üks laseripõhine (inertsiaalne) lähenemine sai hakkama et sulandumisreaktsioonist rohkem energiat saada kui termotuumasünteesikütus võttis sisse , kuid termotuumasünteesikütus võttis vaid väikese osa kogu laseri energiast, mida nad sellele tulistasid - see on endiselt suur verstapost, kuid ainult üks neist kahest, mida nad peavad läbima, et luua oma esimene joule netoelekter.

See ei oleks

See ei oleks termotuumasünteesi probleem ...



Kui peaksime selle kunagi tööle panema, oleksid termotuumasünteesi eelised tohutud. Termotuumaelektrijaam kasutab kütusena vesiniku isotoope, mida pole vaja maast kaevandada. See ei eralda õhus sisalduvaid süsinikke ega muid atmosfääri saasteaineid. Termotuumasünteesi tehas ei tooda ka pikaealisi toksilisi kõrvalsaadusi, mis vajaksid utiliseerimist.

Sarnaselt lõhustumisreaktoriga peaksid ka termotuumasünteesireaktorid olema tugevalt varjestatud, et sisaldada reaktsioonis tekkivat kiirgust, kuid erinevalt lõhustumisreaktorist ei peaks me plahvatuste pärast liiga palju muretsema. Termotuumasünteesi loomiseks kasutatud rasked vesinikuisotoopid ei ole seal istudes oma olemuselt eriti radioaktiivsed, nagu seda on uraan, plutoonium ja toorium, nii et me ei pea nii muretsema, kui need kogemata umbes paari kilomeetri raadiusesse satuvad. Triitium võib olla natuke ohtlik, kui see satub kehasse õhu, toidu või vee kaudu, kuid selle poolestusaeg kehas on väga lühike ja ainult krooniline kokkupuude põhjustaks tõenäoliselt tõelisi meditsiinilisi probleeme.

Niisiis, loodame ikkagi termotuumasünteesi läbimurreteni. See võib olla inimkonnale peaaegu lõpmatu külluse allikas. Me ei tea veel, kui palju võib lõppreaktori ehitamine maksta või kui madalaks suudame tuua kütuse tootmise kulud. Kuid ainult meie, inimesed, saame õppida tähte lemmikloomana pidama ja seda võimalikult odavalt.

Vaadake meie 2007es.com Explains sarja, et saada põhjalikum ülevaade tänapäeva kuumimatest tehnikateemadest.

Copyright © Kõik Õigused Kaitstud | 2007es.com