Termonüvə enerjisinin gələcəyi varmı?

2024 Müəllif: Seth Attwood | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2023-12-16 15:57

Yarım əsrdən çoxdur ki, elm adamları Yer kürəsində ulduzların bağırsaqlarında olduğu kimi termonüvə reaksiyasının baş verdiyi maşın yaratmağa çalışırlar. İdarə olunan termonüvə sintezi texnologiyası bəşəriyyətə demək olar ki, tükənməz təmiz enerji mənbəyi vəd edir. Sovet alimləri bu texnologiyanın mənşəyində idilər - və indi Rusiya dünyanın ən böyük sintez reaktorunun qurulmasına kömək edir.

Atomun nüvəsinin hissələri nəhəng bir qüvvə tərəfindən bir yerdə tutulur. Onu azad etməyin iki yolu var. Birinci üsul dövri cədvəlin ən uzaq ucundan böyük ağır nüvələrin parçalanma enerjisindən istifadə etməkdir: uran, plutonium. Yerdəki bütün atom elektrik stansiyalarında enerji mənbəyi məhz ağır nüvələrin parçalanmasıdır.

Ancaq atomun enerjisini buraxmağın ikinci yolu da var: bölmək deyil, əksinə, nüvələri birləşdirmək. Birləşən zaman onlardan bəziləri parçalanan uran nüvələrindən daha çox enerji buraxırlar. Nüvə nə qədər yüngüldürsə, birləşmə zamanı (necə deyərlər, birləşmə) daha çox enerji ayrılacaq, buna görə də nüvə sintezinin enerjisini əldə etməyin ən təsirli yolu ən yüngül elementin - hidrogenin nüvələrini və onun izotoplarını birləşməyə məcbur etməkdir..

Əl ulduzu: möhkəm lehte

Nüvə sintezi 1930-cu illərdə ulduzların daxili hissələrində baş verən prosesləri öyrənməklə kəşf edilmişdir. Məlum oldu ki, hər bir günəşin daxilində nüvə birləşmə reaksiyaları baş verir və işıq və istilik onun məhsuludur. Bu aydınlaşan kimi alimlər Yerdə Günəşin bağırsaqlarında baş verənləri necə təkrarlamaq barədə fikirləşdilər. Bütün məlum enerji mənbələri ilə müqayisədə "əl günəşi" bir sıra mübahisəsiz üstünlüklərə malikdir.

Birincisi, adi hidrogen onun yanacağı kimi xidmət edir, onun ehtiyatları Yer kürəsində minlərlə il davam edəcək. Reaksiya üçün ən çox yayılmış izotop olan deyteriyə ehtiyac olmadığını nəzərə alsaq belə, kiçik bir şəhəri bir həftə elektrik enerjisi ilə təmin etmək üçün bir stəkan su kifayətdir. İkincisi, karbohidrogenlərin yanmasından fərqli olaraq, nüvə birləşmə reaksiyası zəhərli məhsullar istehsal etmir - yalnız neytral qaz heliumu.

Fusion enerjisinin üstünlükləri

Demək olar ki, qeyri-məhdud yanacaq ehtiyatı. Füzyon reaktorunda hidrogen izotopları - deuterium və tritium - yanacaq kimi işləyir; helium-3 izotopundan da istifadə edə bilərsiniz. Dəniz suyunda çoxlu deyterium var - onu adi elektroliz yolu ilə əldə etmək olar və onun Dünya Okeanındakı ehtiyatları bəşəriyyətin enerjiyə olan hazırkı tələbatı ilə təxminən 300 milyon il davam edəcək.

Təbiətdə tritium çox azdır, nüvə reaktorlarında süni şəkildə istehsal olunur - lakin termonüvə reaksiyası üçün çox az şey lazımdır. Yer üzündə helium-3 demək olar ki, yoxdur, lakin Ayın torpağında çox şey var. Əgər nə vaxtsa termonüvə gücümüz olsa, yəqin ki, onun üçün yanacaq üçün Aya uçmaq mümkün olacaq.

Partlayış yoxdur. Termonüvə reaksiyasını yaratmaq və saxlamaq üçün çoxlu enerji tələb olunur. Enerji təchizatı dayanan kimi reaksiya dayanır və yüz milyonlarla dərəcəyə qədər qızdırılan plazma mövcud olmağı dayandırır. Buna görə də, birləşmə reaktorunu yandırmaq, söndürməkdən daha çətindir.

Aşağı radioaktivlik. Bir termonüvə reaksiyası maqnit tələsindən yayılan və vakuum kamerasının divarlarına yerləşdirilən neytron axını yaradır və onu radioaktiv edir. Plazma perimetri ətrafında xüsusi “yorğan” (yorğan) yaratmaqla, neytronları yavaşlatmaqla reaktorun ətrafındakı boşluğu tam qorumaq mümkündür. Ədyalın özü zamanla istər-istəməz radioaktiv olur, lakin uzun müddət deyil. 20-30 il istirahət etməyə icazə verərək, yenidən təbii radiasiya fonu ilə material əldə edə bilərsiniz.

Yanacaq sızması yoxdur. Yanacağın sızması riski həmişə var, lakin termofusion reaktor o qədər az yanacaq tələb edir ki, hətta tam sızma da ətraf mühitə təhlükə yaratmır. Məsələn, ITER-i işə salmaq üçün cəmi 3 kq tritium və bir az daha çox deyterium lazımdır. Ən pis ssenaridə belə, bu miqdarda radioaktiv izotoplar suda və havada sürətlə dağılacaq və heç kimə zərər verməyəcək.

Silah yoxdur. Bir termonüvə reaktoru atom silahı hazırlamaq üçün istifadə edilə bilən maddələr istehsal etmir. Ona görə də termonüvə enerjisinin yayılmasının nüvə yarışına gətirib çıxaracağı təhlükəsi yoxdur.

"Süni günəşi" necə işıqlandırmaq, ümumiyyətlə, keçən əsrin 50-ci illərində aydın oldu. Okeanın hər iki tərəfində idarə olunan nüvə birləşmə reaksiyasının əsas parametrlərini təyin edən hesablamalar aparıldı. Bu, yüz milyonlarla dərəcə nəhəng bir temperaturda baş verməlidir: belə şəraitdə elektronlar nüvələrindən qoparılır. Buna görə də bu reaksiyaya termonüvə sintezi də deyilir. Bir-biri ilə inanılmaz sürətlə toqquşan çılpaq nüvələr Coulomb itələməsini dəf edir və birləşir.

Problemlər və həll yolları

İlk onilliklərin həvəsi tapşırığın inanılmaz mürəkkəbliyinə çırpıldı. Termonüvə birləşməsinin işə salınması nisbətən asan oldu - əgər partlayış şəklində həyata keçirilsə. Sakit okean atollları və Semipalatinsk və Novaya Zemlyadakı Sovet sınaq poliqonları müharibədən sonrakı ilk onillikdə termonüvə reaksiyasının tam gücünü yaşadı.

Lakin məhv olmaqdan başqa bu gücdən istifadə termonüvə yükünü partlatmaqdan qat-qat çətindir. Elektrik enerjisi istehsal etmək üçün termonüvə enerjisindən istifadə etmək üçün reaksiya idarə olunan şəkildə aparılmalıdır ki, enerji kiçik hissələrdə buraxılsın.

Bunu necə etmək olar? Termonüvə reaksiyasının baş verdiyi mühitə plazma deyilir. Qaza bənzəyir, adi qazdan fərqli olaraq yüklü hissəciklərdən ibarətdir. Və yüklənmiş hissəciklərin davranışı elektrik və maqnit sahələrinin köməyi ilə idarə edilə bilər.

Buna görə də, ən ümumi formada termonüvə reaktoru keçiricilərdə və maqnitlərdə sıxılmış plazma laxtasıdır. Onlar plazmanın çıxmasının qarşısını alır və bunu edərkən atom nüvələri plazmanın içərisində birləşir və nəticədə enerji ayrılır. Bu enerji reaktordan çıxarılmalı, soyuducu suyu qızdırmaq üçün istifadə edilməlidir - və elektrik enerjisi əldə edilməlidir.

Tələlər və sızmalar

Plazma yer üzündə insanların qarşılaşmalı olduqları ən şıltaq maddə oldu. Elm adamları hər dəfə bir növ plazma sızmasının qarşısını almaq üçün bir yol tapdıqda, yenisi kəşf edildi. 20-ci əsrin bütün ikinci yarısı plazmanı istənilən əhəmiyyətli müddət ərzində reaktorda saxlamağı öyrənməyə sərf olundu. Bu problem yalnız plazma davranışının riyazi modellərini yaratmağa imkan verən güclü kompüterlərin meydana çıxdığı dövrlərdə özünü göstərməyə başladı.

Plazma həbsi üçün hansı metodun daha yaxşı olduğuna dair hələ də konsensus yoxdur. Ən məşhur model olan tokamak, içərisində və xaricində plazma tələləri olan pişişəkilli vakuum kamerasıdır (riyaziyyatçıların dediyi kimi, torus). Bu konfiqurasiya dünyanın ən böyük və ən bahalı termonüvə qurğusuna - hazırda Fransanın cənubunda tikilməkdə olan ITER reaktoruna malik olacaq.

Tokamakdan başqa, termonüvə reaktorlarının bir çox mümkün konfiqurasiyaları var: sferik, Sankt-Peterburqdakı Globus-M-də olduğu kimi, qəribə əyri stellaratorlar (Almaniyadakı Maks Plank Nüvə Fizikası İnstitutunda Wendelstein 7-X kimi), lazer Amerika NIF kimi ətalət tələləri. Onlar ITER-dən daha az media diqqətini çəkirlər, lakin onların da yüksək gözləntiləri var.

Ulduz qurğusunun dizaynını tokamakdan daha uğurlu hesab edən elm adamları var: onu qurmaq daha ucuzdur və plazmada saxlama müddəti daha çox şey verməyi vəd edir. Enerji qazancını plazma tələsinin həndəsəsi təmin edir ki, bu da "donut"a xas olan parazitar təsirlərdən və sızmalardan qurtulmağa imkan verir. Lazerlə pompalanan versiyanın da öz üstünlükləri var.

Onlardakı hidrogen yanacağı lazer impulsları ilə lazımi temperatura qədər qızdırılır və birləşmə reaksiyası demək olar ki, dərhal başlayır. Belə qurğularda plazma ətalətlə tutulur və səpilməyə vaxtı yoxdur - hər şey çox tez baş verir.

Bütün dünya

Bu gün dünyada mövcud olan bütün termonüvə reaktorları eksperimental maşınlardır. Onların heç biri elektrik enerjisi istehsal etmək üçün istifadə edilmir. Hələ heç biri termonüvə reaksiyasının əsas meyarını (Lawson meyarı) yerinə yetirə bilməyib: reaksiya yaratmaq üçün sərf olunandan daha çox enerji əldə etmək. Buna görə də dünya ictimaiyyəti diqqətini nəhəng İTER layihəsinə yönəldib. İTER-də Lawson kriteriyası yerinə yetirilərsə, texnologiyanı təkmilləşdirmək və onu kommersiya relslərinə köçürməyə cəhd etmək mümkün olacaq.

Dünyanın heç bir ölkəsi İTER-ni təkbaşına qura bilməz. Təkcə 100 min km-lik superkeçirici naqillərə, həmçinin onlarla ifratkeçirici maqnitlərə və plazma saxlamaq üçün nəhəng mərkəzi solenoidə, halqada yüksək vakuum yaratmaq üçün sistemə, maqnitlər üçün helium soyuducularına, kontrollerlərə, elektronikaya ehtiyac var… Buna görə də layihə 35 ölkədə və eyni zamanda minlərlə elmi institut və fabrik tikir.

Rusiya layihədə iştirak edən əsas ölkələrdən biridir; Rusiyada gələcək reaktorun 25 texnoloji sistemi layihələndirilir və tikilir. Bunlar superkeçiricilər, plazma parametrlərinin ölçülməsi üçün sistemlər, avtomatik idarəedicilər və divertorun komponentləri, tokamakın daxili divarının ən isti hissəsidir.

ITER işə salındıqdan sonra rusiyalı alimlər onun bütün eksperimental məlumatlarına çıxış əldə edəcəklər. Bununla belə, İTER-in əks-sədası təkcə elmdə hiss olunmayacaq: indi bəzi bölgələrdə Rusiyada əvvəllər olmayan istehsal müəssisələri yaranıb. Məsələn, layihə başlanana qədər ölkəmizdə superkeçirici materialların sənaye istehsalı yox idi və bütün dünyada ildə cəmi 15 ton istehsal edilirdi. İndi yalnız "Rosatom" dövlət korporasiyasının Çepetsk mexanika zavodunda ildə 60 ton istehsal etmək mümkündür.

Enerjinin gələcəyi və ondan kənar

ITER-də ilk plazmanın 2025-ci ildə qəbul edilməsi planlaşdırılır. Bütün dünya bu hadisəni gözləyir. Ancaq bir, hətta ən güclü maşın hamısı deyil. Bütün dünyada və Rusiyada onlar plazmanın davranışını nəhayət anlamağa və ondan istifadənin ən yaxşı yolunu tapmağa kömək edəcək yeni termonüvə reaktorlarının tikintisini davam etdirirlər.

Artıq 2020-ci ilin sonunda Kurçatov İnstitutu nüvə və termonüvə elementləri ilə hibrid qurğunun bir hissəsinə çevriləcək yeni tokamak T-15MD-ni işə salmağa hazırlaşır. Hibrid qurğuda termonüvə reaksiya zonasında əmələ gələn neytronlar ağır nüvələrin - uran və toriumun parçalanmasına başlamaq üçün istifadə olunacaq. Gələcəkdə belə hibrid maşınlar adi nüvə reaktorları üçün yanacaq istehsal etmək üçün istifadə edilə bilər - həm istilik, həm də sürətli neytronlar.

Toriumun xilası

Torium nüvələrində parçalanmağa başlamaq üçün neytron mənbəyi kimi termonüvə “nüvəsi”ndən istifadə perspektivi xüsusilə cəlbedicidir. Planetdə urandan daha çox torium var və onun nüvə yanacağı kimi istifadəsi müasir nüvə enerjisinin bir neçə problemini eyni anda həll edir.

Beləliklə, toriumun çürümə məhsulları hərbi radioaktiv materialların istehsalı üçün istifadə edilə bilməz. Belə istifadənin mümkünlüyü kiçik ölkələrin öz nüvə enerjisini inkişaf etdirməsinə mane olan siyasi amil rolunu oynayır. Torium yanacağı bu problemi birdəfəlik həll edir.

Plazma tələlər təkcə enerjidə deyil, həm də digər dinc sənayelərdə - hətta kosmosda da faydalı ola bilər. İndi Rosatom və Kurçatov İnstitutu kosmik gəmilər üçün elektrodsuz plazma raket mühərrikinin komponentləri və materialların plazma modifikasiyası sistemləri üzərində işləyir. Rusiyanın ITER layihəsində iştirakı sənayeyə təkan verir və bu, yeni sənaye sahələrinin yaradılmasına gətirib çıxarır və bu, artıq Rusiyanın yeni inkişafları üçün əsas yaradır.