Kako fuzijska snaga ‘djeluje’ i hoće li ikad biti održiva?

Ako želimo nastaviti napredovati kao vrsta i trošiti sve više i više energije po osobi, tada su samo dvije moguće krajnje točke za proizvodnju ljudske energije i obje su fuzija. Ili ćemo smisliti kako upiti i iskoristiti velik dio energije koja pada na Zemlju iz ogromne, udaljene fuzijske reakcije našeg Sunčevog sustava (sunčeve energije) ili ćemo smisliti kako stvoriti i održati manje, upravljanijim reakcijama fuzije upravo ovdje na Zemlji (fuzijska snaga). U oba slučaja, energija koja bi mogla pustiti da se cijelo stanovništvo Zemlje uzdiže i dalje od modernog načina života na prvom svijetu sadržana je u samoj strukturi samog svemira.

Prvo načelo: Materija i energija su zamjenjivi i, u određenom filozofskom smislu, u osnovi su potpuno ista stvar. Einstein je bio taj koji je prvi stavio ovu ideju u matematički oblik: Energija je jednaka masi pomnoženoj sa brzinom svjetlosti, kvadratom (E = mcdva). Zapamtite da je c, brzina svjetlosti konačan broj, pa je cdva je i konačan broj - apsolutno ogromanjedan. Dakle, bez potrebe za previše matematičkog obrazovanja, možemo odmah uočiti jedno: Ako je ova jednadžba točna, tada samo maleni, maleni djelić materije odgovara cjelini, cijela puno energije.



fuzija 2Uzmi dva protona (možemo ih smatrati nukleusima elementa s jednim protonom, vodikom) i izvagajmo ih. Sada spojite ta dva odvojena protona kako bi stvorili jedan dvoprotonski atom (jezgra helija) i ponovno izvažite ovaj proizvod. Ono što ćete otkriti je da fuzijski proizvod teži vrlo, vrlo, vrlo nešto manje od pojedinačnih protona koji su u nju ušli. A budući da svi znamo da se materija ne može stvoriti ili uništiti, postoji samo jedno moguće objašnjenje: Ta se beskrajno mala količina izgubljene materije pretvorila u zapanjujuću količinu energije.



Prvenstveno se ta energija oslobađa u obliku topline. U principu, tu bismo energiju trebali moći koristiti na isti način na koji radimo gotovo sve druge izvore topline: Prokuhajte vodu da napravite paru, a turbinu pretvorite u električnu energiju. Problem je prevladavanje svih praktičnih zapreka da se to stvarno radi.

JET

Evo tokamaka u fuzijskom laboratoriju JET u Velikoj Britaniji - manja verzija onoga namijenjenog ITER-u



Prvi problem s fuzijskom snagom je sama fuzija: kako to učiniti? Postoji nekoliko načina, ali najjednostavniji uopće nisu korisni za proizvodnju električne energije; termonuklearni uređaj aktivira fuzijsku bombu primjenom eksplozivne sile male fisione bombe, na primjer, ali nuklearno bombardiranje peleta vodikovog goriva jednostavno nije održiva opcija za proizvodnju električne energije. S druge strane, već sada možemo sigurno i pouzdano prisiliti fuziju između pojedinih atoma u snažnim akceleratorima čestica, ali spajanjem samo dva pojedinačna atoma u jedan neće osloboditi potrebnu količinu energije. Ubrzivači čestica u svakom slučaju nisu strukturirani za prikupljanje topline kao snage.

RTG

X-Ray 'Z Machine' proučava probleme fuzije za Sandia National Labs.

Dakle, izazov stvaranja fuzije doveo je do dvije glavne škole mišljenja: Ili koristimo jednostavnu fizičku silu kako bismo srušili uzorak vodika tako snažno i brzo da se atomi u središtu počnu stapati (tzv.inercijsko zatvaranje), ili koristimo magnete velike snage da sadrže uzorak vodika dok ga sve dalje zagrijavamo i stvaramo fuziju jednostavnim unosom energije (tzv. magnetsko zatvaranje). Inercijalno zatočenje mora stvoriti svoju implozivnu silu baterijama visokotehnoloških lasera ili čak golemim mehaničkim čekićima, dok magnetsko zatvaranje zahtijeva jednako sitne i skupe magnetske tokamak uređaje.



U oba slučaja izazov zapravo nije stvaranje fuzije, već njezino održavanje. Prva fuzijska reakcija koju smo stvorili mora osloboditi dovoljno energije i to na takav način da uzrokuje daljnje fuzijske reakcije u uzorku, koje pak uzrokuju više fuzijskih reakcija, i tako dalje. To je u osnovi kaskadna reakcija koja se nekontrolirano nastavlja u termonuklearnoj bombi, ali ovaj put u obliku koji se može kontrolirati - ponajviše zato što se događa u peleti s gorivom koja teži samo oko milijunti dio od one koju uložimo u vodikovu bombu.

Nuklearna elektrana

Trenutno se sheme fuzijske snage drže u osnovi na istome mjestu: izvlačenje više energije iz fuzijske reakcije nego što trebamo ubaciti da bi ta reakcija išla dalje. Drugim riječima, izazov je naučiti kako stvoriti fuziju za malo dovoljno energije uda energija koju dobivamovani dalje se može koristiti za stvaranje neke neto količine električne energije. Svi moderni istraživački reaktori mogu stvoriti fuziju, a većina je čak može i održati u određenoj mjeri, ali trenutno svi oni moraju potrošiti mnogo više električne energije da bi to učinili nego što bi njihova fuzijska reakcija ikada mogla biti korištena za stvaranje.

Jedan inercijski pristup zasnovan na laseru se snašao da se iz reakcije fuzije dobije više energije od ušlo je fuzijsko gorivo, međutim, fuzijsko gorivo uzelo je samo mali dio ukupne količine laserske energije koju su na njega ispucali - još uvijek velika prekretnica, ali samo jedna od dvije koju će trebati proći da bi proizvela svoj prvi džul neto električne energije.

Ovo ne bi

To ne bi bio problem s fuzijom ...

Ako bismo ga ikada stvarno pokrenuli, prednosti fuzijske snage bile bi ogromne. Fuzijska energija kao gorivo koristi izotope vodika, koji ne treba vaditi iz zemlje. Ne oslobađa bilo kakav ugljik u zraku ili druge atmosferske onečišćenja. Fuzijska biljka također ne bi proizvodila dugotrajne otrovne nusproizvode kojima je potrebno odlaganje.

Poput fisionog reaktora, fuzijski reaktori trebali bi biti jako zaštićeni kako bi sadržavali zračenje koje reakcija proizvodi, ali za razliku od fisionog reaktora, ne bismo se trebali previše brinuti zbog eksplozija. Teški izotopi vodika koji se koriste za stvaranje fuzije u biti nisu vrlo radioaktivni kada samo sjedimo, kao što su uran, plutonij i torij, pa ne moramo biti toliko zabrinuti ako se slučajno razbacaju u radijusu od nekoliko kilometara. Tritij može biti pomalo opasan ako u tijelo ulazi zrakom, hranom ili vodom, ali njegov je poluživot u tijelu vrlo kratak i samo bi kronična izloženost vjerojatno uzrokovala prave medicinske probleme.

Dakle, još uvijek se nadamo fuzijskim otkrićima. To bi mogao biti izvor gotovo beskonačnog obilja za čovječanstvo. Još ne znamo koliko bi konačni reaktor mogao koštati izgradnju ili koliko bismo mogli smanjiti troškove proizvodnje goriva. Ali samo mi ljudi možemo naučiti držati zvijezdu kao kućnog ljubimca i to što jeftinije.

Pogledajte našu seriju 2007es.com Explains za detaljnije izvještavanje o najnovijim tehnološkim temama današnjice.

Copyright © Sva Prava Pridržana | 2007es.com