Почему энергия, вырабатываемая в результате ядерного синтеза, будет будущим, а не настоящим решением энергетических потребностей человечества.
Ключевые выводы
- Ядерный синтез - самый многообещающий источник энергии во всей Вселенной, от массивных звезд во всем космосе до крошечных реакторов здесь, на Земле.
- В настоящее время изучаются три основных подхода, все три из которых приближаются к святому Граалю производства энергии: точке безубыточности.
- Однако огромные проблемы все еще остаются, а фундаментальные исследования по-прежнему сильно недофинансируются. Несмотря на то, что многие компании дают диковинные обещания, мы вряд ли увидим коммерческий синтез в ближайшее время.
Когда дело доходит до производства электроэнергии и энергии, физика дает нам множество вариантов. С помощью простой механики энергия движения объекта приводится в действие: использование веса под действием силы тяжести, текущей воды или движущегося воздуха для вращения колеса или турбины. Затем это движение используется для выработки электрической энергии или других форм энергии. Существуют также химические реакции, зависящие от электронных переходов в том, как атомы и молекулы связаны друг с другом: когда какой-то вид топлива метаболизируется или сжигается для получения энергии, а затем эта энергия используется и аналогичным образом приводится в действие. И, наконец, есть ядерные реакции, когда связи между нейтронами и протонами внутри атомного ядра либо разрываются, либо соединяются вместе, высвобождая энергию, а затем эта энергия приводится в действие.
Хотя механическая работа свободно использует преимущества уже существующих ресурсов окружающей среды, таких как гидроэлектроэнергия и энергия ветра, она также имеет проблемы с надежностью и масштабируемостью, а также собственное воздействие на окружающую среду. Химические реакции используются всеми формами жизни, включая фотосинтез в растениях и метаболические пути у животных, но в качестве источника топлива реакции горения являются конечным, ограниченным ресурсом со значительными последствиями для загрязнения.
Однако ядерная энергетика уникальна. Он буквально в сотни тысяч или миллионы раз более эффективен с точки зрения доли массы, преобразованной в энергию, чем все химические реакции. Вот что такое термоядерный синтез и почему за ним будущее, а не настоящее, производства электроэнергии здесь, на Земле.
На этом графике показана энергия связи на нуклон в зависимости от типа элемента, который мы рассматриваем. Пик, который соответствует наиболее стабильным элементам, находится прямо вокруг таких элементов, как железо, кобальт и никель. Элементы легче этого высвобождают энергию, когда они сливаются вместе; элементы тяжелее этого выделяют энергию, когда они расщепляются в результате реакции деления.
Странно думать, что крошечный строительный блок материи, атомное ядро, обладает наибольшим потенциалом для высвобождения энергии. И тем не менее, это правда; в то время как электронные переходы в атомах или молекулах обычно высвобождают энергию порядка ~ 1 электрон-вольт, ядерные переходы между различными конфигурациями высвобождают энергию в миллион раз больше, порядка ~ 1 мегаэлектрон-вольт. В общем, есть два способа высвобождения энергии посредством ядерной реакции:
- путем расщепления тяжелых ядер в реакциях деления,
- или путем слияния легких ядер в реакциях синтеза.
Оба типа ядерных реакций, деление и синтез, могут выделять энергию, поскольку наиболее стабильные элементы расположены вокруг элементов с 26 по 28 (железо-кобальт-никель) в периодической таблице. Более легкие элементы выделяют энергию в результате синтеза; более тяжелые элементы высвобождают его путем деления.
Хотя ядерное деление и синтез связаны с атомными бомбами, поскольку они оба могут подвергаться неконтролируемым реакциям, которые продолжают выделять энергию, пока реакции могут продолжаться, они оба имеют и другие применения.
На этой диаграмме показана цепная реакция, которая может возникнуть при бомбардировке обогащенного образца урана-235 свободным нейтроном. После образования U-236 он быстро распадается, высвобождая энергию и производя три дополнительных свободных нейтрона. Если эта реакция исчезнет, мы получим бомбу; если эту реакцию можно будет контролировать, мы сможем построить ядерный реактор.
Ядерное деление обычно основано на поглощении частицы, такой как нейтрон, нестабильным ядром. Когда правильное ядро поглощает нейтрон, как, например, уран-235, оно разделяется на части, высвобождая еще больше нейтронов, позволяя произойти цепной реакции. Если скорость реакции неконтролируемая, вы получите бомбу; однако, если скорость реакции можно контролировать, поглощая нейтроны и создавая условия, ограничивающие их скорость, ее можно использовать для контролируемого производства энергии. Это основа того, как работают все современные ядерные (делящиеся) реакторы.
Слияние, с другой стороны, предлагает потенциал для высвобождения даже большего количества энергии, чем деление. Это происходит во всех звездах с температурой ядра, превышающей ~ 4 миллиона К, и является основной реакцией, питающей наше Солнце. Когда вы создаете термоядерную бомбу, ее выход энергии намного превышает мощность любой атомной бомбы; первое обычно измеряется в мегатоннах, а второе - только в килотоннах.
В принципе, если мы сможем управлять реакцией ядерного синтеза с той же эффективностью, с которой мы в настоящее время можем контролировать реакции деления, извлекая энергию с любой скоростью, которую мы выберем, она сможет заменить все другие формы производства энергии. как доминирующий источник энергии на планете Земля.
Реактор ядерный экспериментальный РА-6 (Республика Аргентина 6), en Marcha. Голубое свечение, известное как черенковское излучение, возникает из-за испускаемых в воде частиц со скоростью, превышающей скорость света. Ядерное деление, несмотря на его преимущества, не заменило ископаемое топливо в наших глобальных энергетических потребностях, в основном из-за необоснованных опасений.
В настоящее время существуют три основных вопроса, когда речь заходит об источниках энергии и мощности, которые мы рассматриваем.
- Доступность Мы хотим, чтобы эта энергия была там по требованию; когда нам нужно больше, мы хотим, чтобы это было доступно; когда нам нужно меньше, мы не хотим быть расточительными. Если мы контролируем доступность, как мы делаем с ископаемым топливом или плотинами гидроэлектростанций с надежно стабильным потоком воды, у нас больше гибкости, чем если бы мы полностью полагались на причудливые ресурсы, такие как солнце и ветер.
- ПовсеместностьДля наших целей на Земле повсеместно используются энергия ветра и солнца; ветры и Солнце всегда будут существовать. Однако ископаемых видов топлива не будет; на Земле имеется ограниченное количество угля, нефти и природного газа. Ядерное деление также является исчерпаемым ресурсом, хотя и более распространенным, чем ископаемое топливо. Тем не менее, потребности в добыче и переработке урана и других делящихся элементов означают, что чем больше мы используем, тем труднее будет найти новые, нетронутые источники.
- Устойчивость Когда мы сжигаем ископаемое топливо, мы выбрасываем в атмосферу загрязняющие вещества, влияющие на планету. Когда мы производим реакции ядерного деления, мы производим радиоактивные побочные продукты, некоторые из которых имеют короткий период полураспада, а другие сохранятся для многих поколений людей в будущем. Не шутка в том, что потребление энергии нашим видом существенно изменило климат на Земле с начала промышленной революции; проблема, которая усугубляется с каждым годом.
Эти три причины подчеркивают, почему термоядерная энергия является мечтой об устойчивой энергетике. Если мы сможем контролировать скорость термоядерной реакции, мы сможем использовать ее для производства энергии по требованию практически без потерь. Его топливо, водород и его изотопы, невероятно распространены здесь, на Земле. Топливо ядерного синтеза не «исчерпается» в течение миллиардов лет. И хотя ядерный синтез может производить небольшое количество радиоактивных продуктов, таких как тритий, никогда не возникает риска расплавления реактора или долгосрочного ущерба окружающей среде. По сравнению даже с солнечной энергией, которая требует добычи редких элементов и использования химикатов и ограниченных ресурсов для создания солнечных батарей, ядерный синтез является наиболее устойчивым выбором энергии.
Конечно, все это основано на одном предположении, которого мы, как вид, еще не достигли: что мы можем достичь точки безубыточности, когда речь идет о ядерной энергии синтеза. Святым Граалем энергии является наличие самоподдерживающейся реакции ядерного синтеза, которая производит больше полезной энергии из своих реакций, чем требуется для ввода в систему/устройство, чтобы инициировать реакции синтеза в первую очередь.
Причина, по которой это такая сложная проблема, двояка. Во-первых, создать реакцию ядерного синтеза не так уж и просто. Пока вы ограничиваете себя работой с такими материалами, как водород, дейтерий, гелий-3 и другими стабильными легкими элементами и изотопами, требуются огромные температуры и энергии, чтобы вообще произошла реакция ядерного синтеза. Контролировать и поддерживать эту среду - непростая задача, и она требует огромной энергии даже в самом начале, чтобы создать условия, необходимые для слияния.
И, во-вторых, вы не можете просто подойти к этому с целью создания большего количества энергии путем синтеза, чем вы вкладываете в систему, чтобы запустить реакцию: это то, что известно как бомба. Вместо этого вам нужно производить энергию достаточно медленно, чтобы вы могли использовать ее для производства полезного количества энергии: энергии с течением времени.
Достижение хваленой точки безубыточности требует как производства большего количества энергии от ваших реакций, чем вы вкладываете в систему, чтобы инициировать эти реакции, так и извлечения этой энергии и использования ее. Пока что обе проблемы остаются нерешенными в тандеме, но есть три основных подхода, которые используют исследователи, пытаясь революционизировать отношения человечества с энергией.
Плазма в центре этого термоядерного реактора настолько горячая, что не излучает свет; видна только более холодная плазма, расположенная у стен. Можно увидеть намеки на магнитное взаимодействие между горячей и холодной плазмой. Магнитно-удерживаемая плазма ближе всех подошла к достижению точки безубыточности.
Подход 1: Магнитный синтез Топливо для ядерного синтеза, помните, это не просто атомы, а атомные ядра в ядрах атомов. Один из подходов к ядерному синтезу состоит в том, чтобы полностью ионизировать атомы, лишая их электронов, пока не останутся только атомные ядра. Создавая эту перегретую плазму атомных ядер, которые могут сливаться вместе, идея состоит в том, чтобы сблизить эти ядра, преодолев электрическую силу отталкивания между ними, чтобы инициировать реакции синтеза.
Наиболее успешным подходом здесь было удержание этой перегретой плазмы с помощью мощных электромагнитов, сближающих атомные ядра внутри полости, известной как Токамак. Токамаки исследовались десятилетиями, и все это время внутри них происходили термоядерные реакции.
Основные трудности этого подхода заключаются в удержании плазмы в замкнутом пространстве (иначе она столкнется со стенками устройства) и извлечении энергии, произведенной в результате реакций, для создания полезной мощности. Хотя этот подход долгое время рассматривался как наиболее многообещающий путь к ядерному синтезу, он получил ничтожное финансирование по сравнению с пресловутым уровнем «выстрела на луну», который потребуется, чтобы иметь законный шанс на долгосрочный успех.
В Национальном центре зажигания всенаправленные мощные лазеры сжимают и нагревают шарик материала до условий, достаточных для инициирования ядерного синтеза. Водородная бомба, в которой ядерная реакция деления вместо этого сжимает топливную таблетку, является еще более экстремальной версией этого, производя более высокие температуры, чем даже центр Солнца.
Подход 2: Слияние с инерционным удержанием Вместо того, чтобы возиться с магнитными полями, почему бы просто не попробовать метод грубой силы? Это то, что пытается сделать термоядерный синтез с инерционным удержанием. Взяв гранулу материала, который можно расплавить, серия мощных лазеров со всех сторон обстреливает целевую гранулу, быстро увеличивая ее температуру и плотность, пока не может быть запущена реакция ядерного синтеза. Хотя это требует накопления огромного количества энергии для «лазерного выстрела», который сжимает гранулу, вполне возможно, что генерируемая реакция синтеза высвободит еще больше энергии, что позволит нам когда-нибудь превзойти точку безубыточности.
Этот подход, как и термоядерный синтез с магнитным удержанием, также существует уже несколько десятилетий, все время производя термоядерные реакции. Несмотря на недавние успехи, приближающие нас к конечной цели безубыточности, остаются те же две проблемы. Несмотря на то, что с помощью этого метода мы производим все большее количество энергии, он требует от нас сначала накапливать огромное количество энергии в серии конденсаторных батарей, а затем высвобождать эту энергию сразу. У нас нет самоподдерживающейся реакции; всего один всплеск, а затем мы изо всех сил пытаемся собрать и использовать эту сгенерированную энергию.
Несмотря на то, что мы приближаемся к конечной цели, мы снова на много порядков далеки от точки безубыточности, и поскольку финансирование относительно скудно по сравнению с сотнями миллиардов долларов, которые мы следует инвестировать в эту технологию, прогресс остается медленным.
Magnetized Target Fusion, по замыслу компании General Fusion, является попыткой нового и менее масштабного подхода к ядерному синтезу, чем синтез с магнитным или инерционным удержанием, но после 11 лет обещаний это остается намного дальше от точки безубыточности, чем любой из них.
Подход № 3: Третьи подходы Здесь много частных инициатив - законных, подозрительных и явные шарлатаны - ввязываются. Есть два основных альтернативных подхода к основным методам, и оба они действительно могут создавать реакции синтеза. Как оказалось, запустить термоядерный синтез не так уж и сложно, но удивительно сложно подобраться так близко к точке безубыточности, как это делает термоядерный синтез с инерционным удержанием или магнитным удержанием. Вы также можете:
- Попытка синтеза намагниченных мишеней, при котором перегретая плазма создается и удерживается магнитом, но затем окружающие поршни сжимают топливо внутри в критический момент. Это создает небольшой взрыв слияния, как комбинация двух предыдущих подходов, и является наиболее распространенной альтернативой третьего пути.
- Или вы можете попробовать докритический синтез, когда вы пытаетесь запустить реакцию синтеза с докритической (т.е. с нулевой вероятностью расплавления) реакцией деления. У этого подхода есть много новых игроков в этом пространстве, но сейчас он самый далекий из всех подобных методов от точки безубыточности.
Как и в случае с большинством начинаний на периферии основной науки, есть законные исследователи, работающие над технологиями, лежащими в основе этих мечтаний, но есть также много желаемого за действительное и много обещаний, которые вряд ли осуществятся. вне. Некоторые игроки в игре используют подход, аналогичный Solyndra; они проводят некоторые фундаментальные исследования, рассчитывая на маловероятный путь к успеху. Другие больше похожи на Theranos, где технологии, на которые они рассчитывают, не существуют. Проще говоря, пространство ядерного синтеза действительно представляет собой джунгли.
Самая простая и низкоэнергетическая версия протон-протонной цепи, которая производит гелий-4 из исходного водородного топлива. Обратите внимание, что только слияние дейтерия и протона дает гелий из водорода; все другие реакции либо производят водород, либо гелий из других изотопов гелия. Эти реакции происходят на Солнце и могут быть воссозданы в лаборатории при достаточной температуре и плотности.
Пока, к сожалению, никто особенно не близок к точке безубыточности, и это единственный вопрос, который вы всегда должны задавать, когда речь идет о жизнеспособности технологии ядерного синтеза для замены других источников энергии для людей. полагаться на.
- «Можете ли вы произвести больше энергии, чем нужно для запуска реакции?»
- «Сколько произведенной энергии вы можете использовать для производства полезной мощности?»
- «И насколько вы количественно близки к достижению точки безубыточности?»
Эти вопросы мы должны задавать каждый раз, когда объект или компания заявляет, что термоядерная энергия будет доступна и готова к использованию всего через несколько лет. Как незабываемо выразился плазменный физик на пенсии Дэниел Джассби в своем эссе 2019 года Voodoo Fusion Energy:
«Постоянные научно-исследовательские и опытно-конструкторские организации, в основном поддерживаемые правительством лаборатории, являются молчаливыми зрителями парада обнаженных императоров, лишь изредка подвергая сомнению их невыносимые утверждения и предсказания. Одна черта, которая объединяет схемы шаманского синтеза со своими конкурентами, производящими нейтроны, заключается в том, что, хотя они никогда не будут подавать электричество в сеть, все они потребляют много энергии из сети. Ненасытное потребление электроэнергии - неизбежная черта всех земных термоядерных схем.”
Один из подходов третьего пути к ядерному синтезу, Z-пинч, берет водородную плазму и «зажимает» ее в центре, чтобы вызвать реакции синтеза. Хотя эта реакция производит нейтроны, она намного дальше от точки безубыточности, чем любой реактор типа Токамак.
Все это подчеркивает истинную проблему, которую мы создали для себя как общество, когда речь идет об энергетическом секторе. Нынешним основным методом производства энергии, который мы используем во всем мире, остается технология сжигания ископаемого топлива 18-го века, которая, несомненно, является основной причиной повышения уровня CO2 в нашей атмосфере, закисления океана и нашего быстро и катастрофически меняющегося климата. Лучшая современная технология, которая у нас есть для замены этой древней и чреватой последствиями технологии, ядерного деления, была глобально оклеветана многими из-за страха перед ядерными отходами, радиоактивными осадками, войной и многим другим. Несмотря на научное обоснование ядерного деления, оно по-прежнему производит лишь небольшую часть нашей глобальной энергии.
И, несмотря на острую потребность в фундаментальных исследованиях в энергетическом секторе и сильно недофинансированные обещания ядерного синтеза, в истории Соединенных Штатов не было ни одного года, когда мы инвестировали даже 1 миллиард долларов, даже с поправкой на инфляцию, на цели ядерного синтеза. Если мы не будем делать устойчивые крупномасштабные инвестиции в реальную, законную технологию, которая находится прямо у нас под рукой, мы обрекаем себя на то, что нас поймают два типа шарлатанов:
- благонамеренные те, кто обманывает себя, что они могут добиться успеха там, где на их пути стоят законы физики,
- и змеи в траве, которые знают, что лгут вам о перспективах своей технологии, но все равно рады получить ваши деньги.
Здесь пучок протонов направлен на дейтериевую мишень в эксперименте LUNA. Скорость ядерного синтеза при различных температурах помогла определить поперечное сечение дейтерия и протона, которое было наиболее неопределенным термином в уравнениях, используемых для расчета и понимания чистых содержаний, которые возникнут в конце нуклеосинтеза Большого взрыва. Захват протонов - важный ядерный процесс, но он играет второстепенную роль после захвата нейтронов в создании самых тяжелых элементов.
Когда дело доходит до Вселенной, нет более живительной или поддерживающей жизнь реакции, чем ядерный синтез. Он находится буквально в сердце не только каждой звезды, но и бесчисленных коричневых карликов, т. е. несостоявшихся звезд, которые в течение своей жизни подвергаются синтезу дейтерия. Когда легкие элементы соединяются вместе, новый элемент, который они производят, легче по массе, чем исходные реагенты, и эта реакция синтеза затем выделяет энергию, пропорциональную разнице масс: по формуле Эйнштейна E=mc2 По показателям доступности энергии, доступности источников топлива и воздействия на окружающую среду ядерный синтез, безусловно, является лучшим выбором из всех доступных вариантов для производства энергии.
К сожалению, 60 с лишним лет недоинвестирования в эту технологию отбросили нас вопиюще дальше на этом важном научном фронте, и теперь собрались стервятники: полные больших мечтаний и пустых обещаний, которым нечего показать кроме символических объемов слияния, которые на много порядков далеки даже от достижения точки безубыточности. Если и есть многообещающая технология, заслуживающая огромных инвестиций, так это термоядерная энергетика. Это наиболее многообещающий путь смягчения нынешнего климатического и энергетического кризиса. Но это не технология сегодняшнего дня, и вряд ли она станет технологией завтрашнего дня, если мы не кардинально изменим способы финансирования и проведения фундаментальных исследований и разработок здесь, на Земле.