آیا انرژی گرما هسته ای آینده ای دارد؟

2024 نویسنده: Seth Attwood | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-16 16:03

بیش از نیم قرن است که دانشمندان در تلاش برای ساختن ماشینی بر روی زمین بوده اند که در آن، مانند روده ستارگان، یک واکنش گرما هسته ای رخ می دهد. فناوری همجوشی گرما هسته‌ای کنترل‌شده یک منبع تقریباً پایان ناپذیر انرژی پاک را به بشر نوید می‌دهد. دانشمندان شوروی در منشا این فناوری بودند - و اکنون روسیه به ساخت بزرگترین راکتور همجوشی در جهان کمک می کند.

اجزای هسته یک اتم توسط نیروی عظیمی در کنار هم نگه داشته می شوند. دو راه برای آزاد کردن آن وجود دارد. روش اول استفاده از انرژی شکافت هسته های سنگین بزرگ از دورترین انتهای جدول تناوبی است: اورانیوم، پلوتونیوم. در تمام نیروگاه های هسته ای روی زمین، منبع انرژی دقیقاً از بین رفتن هسته های سنگین است.

اما راه دومی نیز برای آزاد کردن انرژی اتم وجود دارد: نه تقسیم، بلکه برعکس، ترکیب هسته ها. هنگام ادغام، برخی از آنها حتی بیشتر از هسته های اورانیوم شکافت پذیر انرژی آزاد می کنند. هرچه هسته سبکتر باشد، انرژی بیشتری در حین همجوشی آزاد می شود (به قول آنها همجوشی)، بنابراین مؤثرترین راه برای به دست آوردن انرژی همجوشی هسته ای این است که هسته های سبک ترین عنصر - هیدروژن - و ایزوتوپ های آن را وادار به ادغام کنیم..

ستاره دستی: جوانب مثبت

همجوشی هسته ای در دهه 1930 با مطالعه فرآیندهایی که در فضای داخلی ستارگان انجام می شود کشف شد. معلوم شد که واکنش های همجوشی هسته ای در داخل هر خورشید اتفاق می افتد و نور و گرما محصول آن است. به محض روشن شدن این موضوع، دانشمندان به این فکر کردند که چگونه آنچه را که در روده های خورشید روی زمین اتفاق می افتد تکرار کنند. در مقایسه با همه منابع انرژی شناخته شده، "خورشید دست" دارای تعدادی مزایای غیرقابل انکار است.

اول، هیدروژن معمولی به عنوان سوخت آن عمل می کند، ذخایر آن در زمین هزاران سال باقی خواهد ماند. حتی با در نظر گرفتن این واقعیت که واکنش به رایج ترین ایزوتوپ یعنی دوتریوم نیاز ندارد، یک لیوان آب برای تامین برق یک شهر کوچک برای یک هفته کافی است. ثانیا، بر خلاف احتراق هیدروکربن ها، واکنش همجوشی هسته ای محصولات سمی تولید نمی کند - فقط گاز خنثی هلیوم.

مزایای انرژی همجوشی

عرضه سوخت تقریبا نامحدود.در یک راکتور همجوشی، ایزوتوپ های هیدروژن - دوتریوم و تریتیوم - به عنوان سوخت کار می کنند. شما همچنین می توانید از ایزوتوپ هلیوم-3 استفاده کنید. مقدار زیادی دوتریوم در آب دریا وجود دارد - می توان آن را با الکترولیز معمولی به دست آورد و ذخایر آن در اقیانوس جهانی با تقاضای فعلی بشر برای انرژی حدود 300 میلیون سال باقی خواهد ماند.

تریتیوم در طبیعت بسیار کمتر است، این تریتیوم به طور مصنوعی در راکتورهای هسته ای تولید می شود - اما برای یک واکنش گرما هسته ای به مقدار بسیار کمی نیاز است. تقریباً هیچ هلیوم-3 روی زمین وجود ندارد، اما مقدار زیادی در خاک ماه وجود دارد. اگر روزی قدرت گرما هسته‌ای داشته باشیم، احتمالاً می‌توانیم برای سوخت آن به ماه پرواز کنیم.

بدون انفجار برای ایجاد و حفظ یک واکنش گرما هسته ای انرژی زیادی لازم است. به محض توقف عرضه انرژی، واکنش متوقف می شود و پلاسمای گرم شده تا صدها میلیون درجه دیگر وجود ندارد. بنابراین، روشن کردن یک راکتور همجوشی دشوارتر از خاموش کردن آن است.

رادیواکتیویته کم یک واکنش گرما هسته ای جریانی از نوترون ها را تولید می کند که از تله مغناطیسی ساطع می شوند و روی دیواره های اتاق خلاء رسوب می کنند و آن را رادیواکتیو می کنند. با ایجاد یک پتو (پتو) ویژه در اطراف محیط پلاسما و کاهش سرعت نوترون ها، می توان به طور کامل از فضای اطراف راکتور محافظت کرد. خود پتو به مرور زمان به ناچار رادیواکتیو می شود، اما نه برای مدت طولانی. با اجازه دادن به آن برای 20-30 سال، می توانید دوباره موادی را با تابش پس زمینه طبیعی دریافت کنید.

بدون نشتی بنزین همیشه خطر نشت سوخت وجود دارد، اما یک راکتور همجوشی به سوخت کمی نیاز دارد که حتی نشت کامل محیط را تهدید نمی کند. برای مثال، راه اندازی ITER تنها به حدود 3 کیلوگرم تریتیوم و کمی بیشتر دوتریوم نیاز دارد. حتی در بدترین سناریو، این مقدار ایزوتوپ های رادیواکتیو به سرعت در آب و هوا پراکنده می شوند و هیچ آسیبی به کسی وارد نمی کنند.

بدون اسلحه یک راکتور گرما هسته ای موادی تولید نمی کند که بتوان از آنها برای ساخت سلاح اتمی استفاده کرد. بنابراین، هیچ خطری وجود ندارد که گسترش انرژی گرما هسته ای منجر به مسابقه هسته ای شود.

نحوه روشن کردن "خورشید مصنوعی" به طور کلی در دهه پنجاه قرن گذشته مشخص شد. در هر دو طرف اقیانوس، محاسباتی انجام شد که پارامترهای اصلی یک واکنش همجوشی هسته ای کنترل شده را تعیین می کرد. این باید در دمای بسیار زیاد صدها میلیون درجه رخ دهد: در چنین شرایطی، الکترون ها از هسته خود جدا می شوند. بنابراین به این واکنش همجوشی حرارتی هسته ای نیز می گویند. هسته‌های برهنه که با سرعتی سرسام‌آور با یکدیگر برخورد می‌کنند، بر دافعه کولن غلبه کرده و ادغام می‌شوند.

مشکلات و راه حل ها

شور و شوق دهه های اول به پیچیدگی باورنکردنی کار برخورد کرد. پرتاب همجوشی گرما هسته ای نسبتاً آسان بود - اگر به شکل انفجار انجام شود. جزیره های مرجانی اقیانوس آرام و سایت های آزمایش شوروی در Semipalatinsk و Novaya Zemlya قدرت کامل یک واکنش حرارتی هسته ای را در اولین دهه پس از جنگ تجربه کردند.

اما استفاده از این نیرو، به جز برای تخریب، بسیار دشوارتر از انفجار یک بار گرما هسته ای است. برای استفاده از انرژی گرما هسته ای برای تولید الکتریسیته، واکنش باید به صورت کنترل شده انجام شود تا انرژی در بخش های کوچکی آزاد شود.

چگونه انجامش بدهیم؟ محیطی که در آن واکنش گرما هسته ای انجام می شود پلاسما نامیده می شود. شبیه گاز است، فقط بر خلاف گاز معمولی از ذرات باردار تشکیل شده است. و رفتار ذرات باردار را می توان با استفاده از میدان های الکتریکی و مغناطیسی کنترل کرد.

بنابراین، راکتور گرما هسته‌ای در کلی‌ترین شکل خود، یک لخته پلاسما است که در هادی‌ها و آهن‌رباها به دام افتاده است. آنها از فرار پلاسما جلوگیری می کنند و در حین انجام این کار، هسته های اتم در داخل پلاسما ادغام می شوند و در نتیجه انرژی آزاد می شود. این انرژی باید از راکتور حذف شود، برای گرم کردن مایع خنک کننده استفاده شود - و الکتریسیته باید بدست آید.

تله و نشتی

معلوم شد که پلاسما هوس‌انگیزترین ماده‌ای است که مردم روی زمین باید با آن روبرو شوند. هر بار که دانشمندان راهی برای جلوگیری از نشت یک نوع پلاسما پیدا کردند، نوع جدیدی کشف شد. تمام نیمه دوم قرن بیستم صرف یادگیری نگهداری پلاسما در داخل راکتور برای هر زمان قابل توجهی شد. این مشکل تنها در روزهای ما شروع شد، زمانی که رایانه های قدرتمندی ظاهر شدند که امکان ایجاد مدل های ریاضی رفتار پلاسما را فراهم کردند.

هنوز هیچ اتفاق نظری در مورد اینکه کدام روش برای محصور کردن پلاسما بهترین است وجود ندارد. معروف ترین مدل، توکامک، یک محفظه خلاء به شکل دونات (به قول ریاضیدانان، چنبره) با تله های پلاسما در داخل و خارج است. این پیکربندی بزرگترین و گرانترین تاسیسات گرما هسته ای در جهان را خواهد داشت - راکتور ITER که در حال حاضر در جنوب فرانسه در حال ساخت است.

علاوه بر توکامک، پیکربندی‌های احتمالی زیادی از راکتورهای گرما هسته‌ای وجود دارد: کروی، مانند گلوبوس-M سنت پترزبورگ، ستاره‌های منحنی عجیب و غریب (مانند وندلشتاین 7-X در موسسه فیزیک هسته‌ای ماکس پلانک در آلمان)، لیزر. تله های اینرسی، مانند NIF آمریکایی. آنها نسبت به ITER کمتر مورد توجه رسانه ها قرار می گیرند، اما انتظارات زیادی نیز دارند.

دانشمندانی وجود دارند که طراحی ستاره‌ساز را اساساً موفق‌تر از توکامک می‌دانند: ساخت آن ارزان‌تر است و زمان محبوس شدن پلاسما نویدبخش بسیار بیشتری را می‌دهد.افزایش انرژی توسط هندسه خود تله پلاسما ایجاد می شود، که به فرد اجازه می دهد از اثرات انگلی و نشت های ذاتی "دونات" خلاص شود. نسخه پمپ شده لیزری نیز مزایای خود را دارد.

سوخت هیدروژن موجود در آنها توسط پالس های لیزری تا دمای مورد نیاز گرم می شود و واکنش همجوشی تقریباً بلافاصله شروع می شود. پلاسما در چنین تاسیساتی با اینرسی نگه داشته می شود و زمانی برای پراکندگی ندارد - همه چیز خیلی سریع اتفاق می افتد.

کل جهان

تمام راکتورهای گرما هسته ای موجود در جهان امروزه ماشین های آزمایشی هستند. هیچ یک از آنها برای تولید برق استفاده نمی شود. هیچ‌کدام هنوز موفق نشده‌اند معیار اصلی واکنش گرما هسته‌ای (معیار لاوسون) را برآورده کنند: دریافت انرژی بیشتر از آنچه برای ایجاد واکنش صرف شده است. بنابراین، جامعه جهانی بر پروژه غول پیکر ITER متمرکز شده است. اگر معیار لاوسون در ITER برآورده شود، می توان فناوری را اصلاح کرد و سعی کرد آن را به ریل های تجاری منتقل کند.

هیچ کشوری در جهان نمی تواند به تنهایی ITER بسازد. به تنهایی به 100 هزار کیلومتر سیم ابررسانا نیاز دارد و همچنین به ده ها آهنربا ابررسانا و یک شیر برقی غول پیکر مرکزی برای نگهداری پلاسما، سیستمی برای ایجاد خلاء زیاد در یک حلقه، خنک کننده هلیوم برای آهنرباها، کنترلرها، الکترونیک… این پروژه در حال ساخت 35 کشور و هزاران موسسه علمی و کارخانه است.

روسیه یکی از کشورهای اصلی شرکت کننده در این پروژه است. در روسیه 25 سیستم فناوری راکتور آینده در حال طراحی و ساخت هستند. اینها ابررساناها، سیستم های اندازه گیری پارامترهای پلاسما، کنترل کننده های خودکار و اجزای دیورتور، داغ ترین قسمت دیواره داخلی توکامک هستند.

پس از راه اندازی ITER، دانشمندان روسی به تمام داده های تجربی آن دسترسی خواهند داشت. با این حال، پژواک ITER نه تنها در علم احساس می شود: اکنون در برخی مناطق امکانات تولیدی ظاهر شده است که قبلاً در روسیه وجود نداشت. به عنوان مثال قبل از شروع پروژه در کشور ما تولید صنعتی مواد ابررسانا وجود نداشت و تنها 15 تن در سال در سراسر جهان تولید می شد. در حال حاضر، تنها در کارخانه مکانیکی Chepetsk شرکت دولتی "Rosatom" امکان تولید 60 تن در سال وجود دارد.

آینده انرژی و فراتر از آن

اولین پلاسما در ITER قرار است در سال 2025 دریافت شود. تمام دنیا منتظر این رویداد هستند. اما یک دستگاه، حتی قدرتمندترین، همه چیز نیست. در سرتاسر جهان و روسیه، آنها همچنان به ساخت راکتورهای گرما هسته‌ای جدید ادامه می‌دهند که در نهایت به درک رفتار پلاسما و یافتن بهترین راه برای استفاده از آن کمک می‌کند.

در حال حاضر در پایان سال 2020، موسسه Kurchatov قصد دارد یک tokamak T-15MD جدید را راه اندازی کند که بخشی از یک تاسیسات هیبریدی با عناصر هسته ای و گرما هسته ای خواهد شد. نوترون‌هایی که در ناحیه واکنش گرما هسته‌ای تشکیل می‌شوند، در تاسیسات هیبریدی برای شروع شکافت هسته‌های سنگین - اورانیوم و توریم استفاده می‌شوند. در آینده، چنین ماشین‌های هیبریدی می‌توانند برای تولید سوخت برای راکتورهای هسته‌ای معمولی - هم نوترون‌های حرارتی و هم نوترون‌های سریع - استفاده شوند.

نجات توریم

چشم انداز استفاده از "هسته" گرما هسته ای به عنوان منبع نوترون برای آغاز فروپاشی در هسته های توریم وسوسه انگیز است. توریم روی کره زمین بیشتر از اورانیوم است و استفاده از آن به عنوان سوخت هسته ای چندین مشکل انرژی هسته ای مدرن را به طور همزمان حل می کند.

بنابراین، محصولات فروپاشی توریم را نمی توان برای تولید مواد رادیواکتیو نظامی استفاده کرد. امکان چنین استفاده ای به عنوان یک عامل سیاسی عمل می کند که کشورهای کوچک را از توسعه انرژی هسته ای خود باز می دارد. سوخت توریم این مشکل را یکبار برای همیشه حل می کند.

تله های پلاسما می توانند نه تنها در انرژی، بلکه در سایر صنایع صلح آمیز - حتی در فضا - مفید باشند. اکنون Rosatom و موسسه Kurchatov در حال کار بر روی اجزای یک موتور موشک پلاسمای بدون الکترود برای فضاپیماها و سیستم‌هایی برای اصلاح مواد پلاسما هستند.مشارکت روسیه در پروژه ITER این صنعت را تحریک می کند، که منجر به ایجاد صنایع جدید می شود، که در حال حاضر اساس پیشرفت های جدید روسیه را تشکیل می دهند.