Что такое ядерный синтез?

Если вы хотите узнать больше о работе МАГАТЭ, подпишитесь на наши еженедельные обновления, содержащие самые важные новости, мультимедийные материалы и многое другое.

Ядерное объяснение
31 марта 2022 г.
Маттео Барбарино, Департамент ядерных наук и применений МАГАТЭ

Ядерный синтез — это процесс, при котором два легких атомных ядра объединяются в одно более тяжелое, высвобождая при этом огромное количество энергии.

Реакции синтеза происходят в состоянии вещества, называемом плазмой — горячим заряженным газом, состоящим из положительных ионов и свободно движущихся электронов, с уникальными свойствами, отличными от твердых тел, жидкостей или газов.

Солнце, как и все другие звезды, питается этой реакцией. Чтобы слиться на нашем Солнце, ядра должны столкнуться друг с другом при чрезвычайно высоких температурах, около десяти миллионов градусов по Цельсию. Высокая температура обеспечивает их энергией, достаточной для преодоления взаимного электрического отталкивания. Как только ядра окажутся на очень близком расстоянии друг от друга, ядерная сила притяжения между ними перевесит электрическое отталкивание и позволит им слиться. Чтобы это произошло, ядра должны быть ограничены небольшим пространством, чтобы увеличить вероятность столкновения. На Солнце чрезвычайное давление, создаваемое его огромной гравитацией, создает условия для синтеза.

Почему ученые изучают термоядерную энергию?

С тех пор, как в 1930-х годах была понята теория ядерного синтеза, ученые — а все чаще и инженеры — стремились воссоздать и использовать ее.Это потому, что если ядерный синтез можно воспроизвести на Земле в промышленных масштабах, он может обеспечить практически безграничную чистую, безопасную и доступную энергию для удовлетворения мировых потребностей.

Термоядерный синтез может генерировать в четыре раза больше энергии на килограмм топлива, чем деление (используемое на атомных электростанциях), и почти в четыре миллиона раз больше энергии, чем сжигание нефти или угля.

Статья в тему: Как глобальное потепление влияет на коал

Большинство разрабатываемых концепций термоядерных реакторов будут использовать смесь дейтерия и трития — атомов водорода, которые содержат дополнительные нейтроны. Теоретически, используя всего несколько граммов этих реагентов, можно произвести тераджоуль энергии, что примерно соответствует энергии, необходимой одному человеку в развитой стране в течение шестидесяти лет.

Термоядерное топливо имеется в изобилии и легкодоступно: дейтерий можно недорого извлечь из морской воды, а тритий потенциально можно получить в результате реакции нейтронов, генерируемых термоядерным синтезом, с естественным избытком лития. Этих запасов топлива хватило бы на миллионы лет. Будущие термоядерные реакторы также будут искробезопасными и, как ожидается, не будут производить высокоактивные или долгоживущие ядерные отходы. Кроме того, поскольку процесс синтеза трудно запустить и поддерживать, отсутствует риск неконтролируемой реакции и расплавления; термоядерный синтез может происходить только в строгих эксплуатационных условиях, за пределами которых (например, в случае аварии или отказа системы) плазма естественным образом прекращается, очень быстро теряет свою энергию и гаснет до того, как реактору будет нанесен какой-либо устойчивый ущерб.

Важно отметить, что ядерный синтез — так же, как и деление — не выбрасывает в атмосферу углекислый газ или другие парниковые газы, поэтому со второй половины этого века и далее он может стать долгосрочным источником низкоуглеродной электроэнергии.

Горячее, чем солнце

В то время как массивная гравитационная сила Солнца естественным образом вызывает синтез, без этой силы для реакции требуется температура даже выше, чем на Солнце.На Земле нам нужны температуры более 100 миллионов градусов по Цельсию, чтобы дейтерий и тритий сплавились, одновременно регулируя давление и магнитные силы, для стабильного удержания плазмы и поддержания реакции синтеза достаточно долго, чтобы произвести больше энергии, чем что требовалось для начала реакции.

Статья в тему: Как закись азота вызывает парниковый эффект

Хотя условия, которые очень близки к тем, которые требуются в термоядерном реакторе, теперь обычно достигаются в экспериментах, улучшенные свойства удержания и стабильность плазмы по-прежнему необходимы для поддержания реакции и производства энергии устойчивым образом. Ученые и инженеры со всего мира продолжают разрабатывать и тестировать новые материалы и разрабатывать новые технологии для получения чистой энергии термоядерного синтеза.

Более подробную информацию смотрите в следующем видео:

Будущее термоядерной энергетики

Получение энергии от ядерного синтеза широко рассматривается как великая инженерная задача двадцать первого века. Что нужно сделать, чтобы термоядерная энергия стала коммерчески жизнеспособной?

Какова наша позиция в отношении развития термоядерных технологий?

Исследования в области физики ядерного синтеза и плазмы проводятся более чем в 50 странах, и во многих экспериментах были успешно проведены реакции синтеза, хотя до сих пор не было выработано больше энергии, чем требовалось для начала процесса реакции. Эксперты придумали различные конструкции и машины на основе магнитов, в которых происходит термоядерный синтез, такие как стеллараторы и токамаки, а также подходы, основанные на лазерах, линейных устройствах и передовых видах топлива.

Сколько времени потребуется для успешного внедрения термоядерной энергии, будет зависеть от мобилизации ресурсов в рамках глобального партнерства и сотрудничества, а также от того, насколько быстро отрасль сможет разрабатывать, проверять и квалифицировать новые термоядерные технологии. Еще одним важным вопросом является параллельное развитие необходимой ядерной инфраструктуры, такой как требования, стандарты и передовой опыт, относящиеся к реализации этого будущего источника энергии.

Статья в тему: Что такое поиск в искусственном интеллекте

После 10 лет проектирования компонентов, подготовки площадки и производства по всему миру в 2020 году началась сборка ИТЭР во Франции, крупнейшей в мире международной термоядерной установки. ИТЭР — это международный проект, целью которого является демонстрация научной и технологической осуществимости термоядерного синтеза производства энергии и проверки технологий и концепций для будущих демонстрационных термоядерных электростанций по производству электроэнергии, называемых DEMO. ИТЭР начнет проводить свои первые эксперименты во второй половине этого десятилетия, а эксперименты на полной мощности планируется начать в 2036 году.

Сроки DEMO различаются в разных странах, но эксперты сходятся во мнении, что термоядерная электростанция, производящая электроэнергию, может быть построена и введена в эксплуатацию к 2050 году. на ноу-хау, созданном за годы исследований и разработок, финансируемых государством, и еще раньше предложить термоядерную энергию.

Какова роль МАГАТЭ?

МАГАТЭ уже давно играет центральную роль в международных исследованиях и разработках в области термоядерного синтеза, и недавно оно начало поддерживать разработку и внедрение ранних технологий.

В 1960 году МАГАТЭ выпустило журнал Nuclear Fusion для обмена информацией о достижениях в области ядерного синтеза. В настоящее время журнал считается ведущим периодическим изданием в этой области. МАГАТЭ также регулярно публикует TECDOC и информационно-просветительские материалы по термоядерному синтезу.
Первая международная конференция МАГАТЭ по термоядерной энергии была проведена в 1961 г., а с 1974 г. МАГАТЭ созывает конференцию каждые два года для обсуждения разработок и достижений в этой области. Посмотрите короткий фильм об истории этой серии конференций
С 1971 года Международный совет МАГАТЭ по термоядерным исследованиям служит катализатором налаживания более эффективного международного сотрудничества в области термоядерных исследований.
Соглашение ИТЭР сдано на хранение Генеральному директору МАГАТЭ.Сотрудничество между МАГАТЭ и Организацией ИТЭР оформлено соглашением о сотрудничестве в 2008 году, которое было расширено и углублено в 2019 году.
МАГАТЭ содействует международному сотрудничеству и координации деятельности по программе DEMO во всем мире.
МАГАТЭ проводит серию технических совещаний и координирует исследовательскую деятельность по темам, относящимся к развитию и внедрению науки и технологий в области термоядерного синтеза, а также организует и поддерживает образовательные и учебные мероприятия по термоядерному синтезу.
МАГАТЭ поддерживает числовые базы данных фундаментальных данных для исследований в области термоядерной энергии, а также Информационную систему термоядерных устройств (FusDIS), которая собирает информацию о термоядерных устройствах, работающих, строящихся или планируемых по всему миру.
МАГАТЭ осуществляет проект по синергии в развитии технологий ядерного деления и синтеза для производства энергии, а также по долгосрочной устойчивости, включая обращение с радиоактивными отходами, и правовым и институциональным вопросам для термоядерных установок.
МАГАТЭ исследует ключевые аспекты безопасности, охватывающие весь жизненный цикл термоядерных установок, где необходимы руководящие принципы и конкретные справочные документы.
МАГАТЭ поддерживает предварительное технико-экономическое обоснование типовой демонстрационной термоядерной установки.

Статья в тему: Как искусственный интеллект поможет разработчикам обнаруживать и использовать

Связанные ресурсы

Слияние
Часто задаваемые вопросы по Fusion
Фьюжн-портал
Информационная система устройств Fusion (FusDIS)
Fusion Energy, Бюллетень МАГАТЭ (том 62/2, май 2021 г.)
Термоядерная реакция
Будущее термоядерной энергетики
Ядерное объяснение

голоса

Рейтинг статьи