აქვს თუ არა მომავალი თერმობირთვულ ენერგიას?

2024 ავტორი: Seth Attwood | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2023-12-16 16:09

ნახევარ საუკუნეზე მეტია, რაც მეცნიერები ცდილობენ შექმნან მანქანა დედამიწაზე, რომელშიც ვარსკვლავების ნაწლავების მსგავსად, თერმობირთვული რეაქცია მიმდინარეობს. კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმის ტექნოლოგია კაცობრიობას სუფთა ენერგიის თითქმის ამოუწურავი წყაროს ჰპირდება. საბჭოთა მეცნიერები წარმოადგენდნენ ამ ტექნოლოგიის წარმოშობას - ახლა კი რუსეთი ეხმარება მსოფლიოში უდიდესი შერწყმის რეაქტორის აშენებაში.

ატომის ბირთვის ნაწილები ერთმანეთთან არის შეკრული კოლოსალური ძალით. მისი გათავისუფლების ორი გზა არსებობს. პირველი მეთოდი არის დიდი მძიმე ბირთვების დაშლის ენერგიის გამოყენება პერიოდული ცხრილის ყველაზე შორი ბოლოდან: ურანი, პლუტონიუმი. დედამიწის ყველა ატომურ ელექტროსადგურზე ენერგიის წყარო სწორედ მძიმე ბირთვების დაშლაა.

მაგრამ არსებობს ატომის ენერგიის განთავისუფლების მეორე გზაც: არა გაყოფა, არამედ პირიქით, ბირთვების გაერთიანება. შერწყმისას ზოგიერთი მათგანი ათავისუფლებს უფრო მეტ ენერგიას, ვიდრე ურანის დაშლილი ბირთვები. რაც უფრო მსუბუქია ბირთვი, მით მეტი ენერგია გამოიყოფა შერწყმის დროს (როგორც ამბობენ, შერწყმა), ამიტომ ბირთვული შერწყმის ენერგიის მისაღებად ყველაზე ეფექტური გზაა ყველაზე მსუბუქი ელემენტის - წყალბადის - ბირთვების და მისი იზოტოპების შერწყმა..

ხელის ვარსკვლავი: მყარი დადებითი

ბირთვული შერწყმა აღმოაჩინეს 1930-იან წლებში ვარსკვლავების ინტერიერში მიმდინარე პროცესების შესწავლით. აღმოჩნდა, რომ ბირთვული შერწყმის რეაქციები ხდება თითოეული მზის შიგნით და სინათლე და სითბო მისი პროდუქტებია. როგორც კი ეს ცხადი გახდა, მეცნიერებმა დაფიქრდნენ, როგორ გაემეორათ ის, რაც ხდება მზის ნაწლავებში დედამიწაზე. ენერგიის ყველა ცნობილ წყაროსთან შედარებით, „ხელის მზეს“არაერთი უდავო უპირატესობა აქვს.

პირველი, ჩვეულებრივი წყალბადი ემსახურება მის საწვავს, რომლის მარაგი დედამიწაზე გაგრძელდება მრავალი ათასი წლის განმავლობაში. იმ ფაქტის გათვალისწინებითაც კი, რომ რეაქცია მოითხოვს არა ყველაზე გავრცელებულ იზოტოპს, დეიტერიუმს, ერთი ჭიქა წყალი საკმარისია პატარა ქალაქისთვის ელექტროენერგიით ერთი კვირის განმავლობაში. მეორეც, ნახშირწყალბადების წვისგან განსხვავებით, ბირთვული შერწყმის რეაქცია არ წარმოქმნის ტოქსიკურ პროდუქტებს - მხოლოდ ნეიტრალურ გაზს ჰელიუმს.

შერწყმის ენერგიის დადებითი მხარეები

საწვავის თითქმის შეუზღუდავი მარაგი.შერწყმის რეაქტორში წყალბადის იზოტოპები - დეიტერიუმი და ტრიტიუმი - მუშაობს როგორც საწვავი; თქვენ ასევე შეგიძლიათ გამოიყენოთ იზოტოპი ჰელიუმ-3. ზღვის წყალში ბევრი დეიტერიუმია - მისი მიღება შესაძლებელია ჩვეულებრივი ელექტროლიზით, ხოლო მსოფლიო ოკეანეში მისი მარაგი დაახლოებით 300 მილიონი წელი გაგრძელდება კაცობრიობის ამჟამინდელი მოთხოვნილების შესაბამისად.

ბუნებაში გაცილებით ნაკლებია ტრიტიუმი, ის ხელოვნურად იწარმოება ბირთვულ რეაქტორებში – მაგრამ ძალიან ცოტაა საჭირო თერმობირთვული რეაქციისთვის. დედამიწაზე ჰელიუმ-3 თითქმის არ არის, მაგრამ მთვარის ნიადაგში ბევრია. თუ ოდესმე გვექნება თერმობირთვული ძალა, ალბათ შესაძლებელი იქნება მთვარეზე გაფრენა საწვავის საპოვნელად.

არანაირი აფეთქებები.თერმობირთვული რეაქციის შექმნასა და შენარჩუნებას დიდი ენერგია სჭირდება. როგორც კი ენერგიის მიწოდება ჩერდება, რეაქცია ჩერდება და ასობით მილიონი გრადუსამდე გაცხელებული პლაზმა არსებობას წყვეტს. ამიტომ, შერწყმის რეაქტორის ჩართვა უფრო რთულია, ვიდრე გამორთვა.

დაბალი რადიოაქტიურობა.თერმობირთვული რეაქცია წარმოქმნის ნეიტრონების ნაკადს, რომლებიც გამოიყოფა მაგნიტური ხაფანგიდან და დეპონირდება ვაკუუმის კამერის კედლებზე, რაც მას რადიოაქტიურს ხდის. პლაზმის პერიმეტრის გარშემო სპეციალური „ბლანტის“(ბლანტის) შექმნით, ნეიტრონების შენელებით, შესაძლებელია რეაქტორის ირგვლივ სივრცის სრული დაცვა. თავად საბანი დროთა განმავლობაში გარდაუვალი ხდება რადიოაქტიური, მაგრამ არა დიდი ხნის განმავლობაში. 20-30 წლის განმავლობაში დაისვენეთ, შეგიძლიათ კვლავ მიიღოთ მასალა ბუნებრივი ფონის გამოსხივებით.

საწვავის გაჟონვა არ არის.საწვავის გაჟონვის საფრთხე ყოველთვის არსებობს, მაგრამ შერწყმის რეაქტორს იმდენად ცოტა საწვავი სჭირდება, რომ სრული გაჟონვაც კი არ ემუქრება გარემოს. ITER-ის გაშვებას, მაგალითად, დასჭირდება მხოლოდ 3 კგ ტრიტიუმი და ცოტა მეტი დეიტერიუმი. უარეს შემთხვევაშიც კი, რადიოაქტიური იზოტოპების ეს რაოდენობა სწრაფად გაიფანტება წყალსა და ჰაერში და არავის ზიანს არ მიაყენებს.

არანაირი იარაღი.თერმობირთვული რეაქტორი არ აწარმოებს ნივთიერებებს, რომლებიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას ატომური იარაღის დასამზადებლად. აქედან გამომდინარე, არ არსებობს საშიშროება, რომ თერმობირთვული ენერგიის გავრცელებამ გამოიწვიოს ბირთვული რბოლა.

როგორ აანთოს „ხელოვნური მზე“, ზოგადად, გასული საუკუნის ორმოცდაათიან წლებში გაირკვა. ოკეანის ორივე მხარეს ჩატარდა გამოთვლები, რომლებიც ადგენდნენ კონტროლირებადი ბირთვული შერწყმის რეაქციის ძირითად პარამეტრებს. ეს უნდა მოხდეს ასობით მილიონი გრადუსის უზარმაზარ ტემპერატურაზე: ასეთ პირობებში ელექტრონები იშლება მათი ბირთვებიდან. ამიტომ, ამ რეაქციას ასევე უწოდებენ თერმობირთვულ შერწყმას. შიშველი ბირთვები, რომლებიც ეჯახებიან ერთმანეთს საშინელი სიჩქარით, სძლევენ კულონის მოგერიებას და ერწყმის ერთმანეთს.

პრობლემები და გადაწყვეტილებები

პირველი ათწლეულების ენთუზიაზმი დაეჯახა ამოცანის წარმოუდგენელ სირთულეს. თერმობირთვული შერწყმის გაშვება შედარებით მარტივი აღმოჩნდა - თუ ეს აფეთქების სახით ხდებოდა. წყნარი ოკეანის ატოლებმა და საბჭოთა საცდელმა ობიექტებმა სემიპალატინსკში და ნოვაია ზემლიაში განიცადეს თერმობირთვული რეაქციის სრული ძალა უკვე ომის შემდგომ პირველ ათწლეულში.

მაგრამ ამ ძალის გამოყენება, გარდა განადგურებისა, ბევრად უფრო რთულია, ვიდრე თერმობირთვული მუხტის აფეთქება. ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის თერმობირთვული ენერგიის გამოსაყენებლად, რეაქცია უნდა განხორციელდეს კონტროლირებადი წესით ისე, რომ ენერგია გამოიყოფა მცირე ნაწილებში.

Როგორ გავაკეთო ეს? გარემოს, რომელშიც თერმობირთვული რეაქცია მიმდინარეობს, პლაზმა ეწოდება. ის გაზის მსგავსია, მხოლოდ ჩვეულებრივი აირისგან განსხვავებით შედგება დამუხტული ნაწილაკებისგან. და დამუხტული ნაწილაკების ქცევა შეიძლება კონტროლდებოდეს ელექტრული და მაგნიტური ველების გამოყენებით.

მაშასადამე, მისი ყველაზე ზოგადი ფორმით, თერმობირთვული რეაქტორი არის პლაზმური შედედება გამტარებლებში და მაგნიტებში. ისინი ხელს უშლიან პლაზმის გაქცევას და ამას აკეთებენ, ატომური ბირთვები ერწყმის პლაზმაში, რის შედეგადაც ენერგია გამოიყოფა. ეს ენერგია უნდა მოიხსნას რეაქტორიდან, გამოიყენოს გამაგრილებლის გასათბობად - და უნდა მივიღოთ ელექტროენერგია.

ხაფანგები და გაჟონვები

პლაზმა აღმოჩნდა ყველაზე კაპრიზული ნივთიერება, რომლის წინაშეც ადამიანები დედამიწაზე უწევდნენ. ყოველ ჯერზე, როცა მეცნიერები აღმოაჩენდნენ გზას პლაზმის ერთი ტიპის გაჟონვის დასაბლოკად, აღმოაჩინეს ახალი. მე-20 საუკუნის მთელი მეორე ნახევარი დახარჯული იყო პლაზმის რეაქტორში მნიშვნელოვანი დროის განმავლობაში შენახვაზე. ეს პრობლემა მხოლოდ ჩვენს დღეებში დაიწყო, როდესაც გამოჩნდა ძლიერი კომპიუტერები, რომლებმაც შესაძლებელი გახადეს პლაზმური ქცევის მათემატიკური მოდელების შექმნა.

ჯერ კიდევ არ არსებობს კონსენსუსი იმის თაობაზე, თუ რომელი მეთოდია საუკეთესო პლაზმური შეზღუდვისთვის. ყველაზე ცნობილი მოდელი, ტოკამაკი, არის დონატის ფორმის ვაკუუმ კამერა (როგორც მათემატიკოსები ამბობენ, ტორუსი) პლაზმური ხაფანგებით შიგნით და გარეთ. ამ კონფიგურაციას ექნება მსოფლიოში ყველაზე დიდი და ძვირადღირებული თერმობირთვული ინსტალაცია - ITER რეაქტორი, რომელიც ამჟამად მშენებარეა სამხრეთ საფრანგეთში.

ტოკამაკის გარდა, არსებობს თერმობირთვული რეაქტორების მრავალი შესაძლო კონფიგურაცია: სფერული, როგორც პეტერბურგის Globus-M-ში, უცნაურად მოხრილი ვარსკვლავები (როგორც Wendelstein 7-X გერმანიაში მაქს პლანკის ბირთვული ფიზიკის ინსტიტუტში), ლაზერი. ინერციული ხაფანგები, როგორიცაა ამერიკული NIF. ისინი იღებენ მედიის გაცილებით ნაკლებ ყურადღებას, ვიდრე ITER, მაგრამ ასევე აქვთ დიდი მოლოდინი.

არიან მეცნიერები, რომლებიც თვლიან, რომ ვარსკვლავის დიზაინი ფუნდამენტურად უფრო წარმატებულადაა ვიდრე ტოკამაკი: მისი აშენება უფრო იაფია და პლაზმური შეზღუდვის დრო გაცილებით მეტს გვპირდება.ენერგიის მიღებას უზრუნველყოფს თავად პლაზმური ხაფანგის გეომეტრია, რაც საშუალებას აძლევს ადამიანს თავი დააღწიოს პარაზიტულ ეფექტებს და გაჟონვას, რომლებიც თან ახლავს "დონატს". ლაზერული ტუმბოს ვერსიას ასევე აქვს თავისი უპირატესობები.

მათში წყალბადის საწვავი თბება საჭირო ტემპერატურამდე ლაზერული იმპულსებით და შერწყმის რეაქცია თითქმის მყისიერად იწყება. ასეთ დანადგარებში პლაზმა იმართება ინერციით და არ აქვს დრო გაფანტვისთვის - ყველაფერი ასე სწრაფად ხდება.

მთელი მსოფლიო

დღეს მსოფლიოში არსებული ყველა თერმობირთვული რეაქტორი ექსპერიმენტული მანქანაა. არცერთი მათგანი არ გამოიყენება ელექტროენერგიის წარმოებისთვის. ჯერ ვერც ერთმა ვერ შეძლო თერმობირთვული რეაქციის მთავარი კრიტერიუმის (ლოუსონის კრიტერიუმი) შესრულება: მეტი ენერგიის მიღება, ვიდრე რეაქციის შექმნაზე დაიხარჯა. ამიტომ, მსოფლიო საზოგადოებამ ყურადღება გაამახვილა გიგანტურ ITER პროექტზე. თუ ლოუსონის კრიტერიუმი დაკმაყოფილდება ITER-ში, შესაძლებელი იქნება ტექნოლოგიის დახვეწა და მისი კომერციულ რელსებზე გადატანა.

მსოფლიოს არცერთ ქვეყანას არ შეეძლო მარტო ITER-ის აშენება. მას სჭირდება მხოლოდ 100 ათასი კმ ზეგამტარი მავთული, ასევე ათობით სუპერგამტარი მაგნიტები და გიგანტური ცენტრალური სოლენოიდი პლაზმის შესანახად, სისტემა რგოლში მაღალი ვაკუუმის შესაქმნელად, ჰელიუმის გამაგრილებლები მაგნიტებისთვის, კონტროლერები, ელექტრონიკა… ამიტომ, პროექტი აშენებს 35 ქვეყანას და ერთდროულად ათასობით სამეცნიერო ინსტიტუტს და ქარხანას.

რუსეთი პროექტში მონაწილე ერთ-ერთი მთავარი ქვეყანაა; რუსეთში მუშავდება და შენდება მომავალი რეაქტორის 25 ტექნოლოგიური სისტემა. ეს არის სუპერგამტარები, პლაზმური პარამეტრების გაზომვის სისტემები, ავტომატური კონტროლერები და დივერტორის კომპონენტები, ტოკამაკის შიდა კედლის ყველაზე ცხელი ნაწილი.

ITER-ის გაშვების შემდეგ რუს მეცნიერებს ექნებათ წვდომა მის ყველა ექსპერიმენტულ მონაცემზე. თუმცა, ITER-ის გამოძახილი იგრძნობა არა მხოლოდ მეცნიერებაში: ახლა ზოგიერთ რეგიონში გამოჩნდა წარმოების ობიექტები, რომლებიც ადრე არ არსებობდა რუსეთში. მაგალითად, პროექტის დაწყებამდე ჩვენს ქვეყანაში არ არსებობდა ზეგამტარი მასალების სამრეწველო წარმოება და წელიწადში მხოლოდ 15 ტონა იწარმოებოდა მთელ მსოფლიოში. ახლა მხოლოდ სახელმწიფო კორპორაცია „როსატომის“ჩეპეცკის მექანიკურ ქარხანაშია შესაძლებელი წელიწადში 60 ტონა წარმოება.

ენერგიის მომავალი და მის ფარგლებს გარეთ

ITER-ზე პირველი პლაზმის მიღება 2025 წელს იგეგმება. მთელი მსოფლიო ელოდება ამ მოვლენას. მაგრამ ერთი, თუნდაც ყველაზე ძლიერი, მანქანა არ არის ყველაფერი. მთელ მსოფლიოში და რუსეთში ისინი აგრძელებენ ახალი თერმობირთვული რეაქტორების მშენებლობას, რაც ხელს შეუწყობს პლაზმის ქცევის საბოლოოდ გაგებას და მისი გამოყენების საუკეთესო ხერხის პოვნას.

უკვე 2020 წლის ბოლოს, კურჩატოვის ინსტიტუტი აპირებს გამოუშვას ახალი ტოკამაკი T-15MD, რომელიც გახდება ჰიბრიდული ინსტალაციის ნაწილი ბირთვული და თერმობირთვული ელემენტებით. ნეიტრონები, რომლებიც წარმოიქმნება თერმობირთვული რეაქციის ზონაში, ჰიბრიდულ ინსტალაციაში გამოყენებული იქნება მძიმე ბირთვების - ურანისა და თორიუმის დაშლის დასაწყებად. მომავალში, ასეთი ჰიბრიდული მანქანები შეიძლება გამოყენებულ იქნას ჩვეულებრივი ბირთვული რეაქტორებისთვის საწვავის წარმოებისთვის - როგორც თერმული, ასევე სწრაფი ნეიტრონები.

თორიუმის ხსნა

განსაკუთრებით მაცდურია თერმობირთვული „ბირთვის“ნეიტრონების წყაროდ გამოყენების პერსპექტივა თორიუმის ბირთვებში დაშლის დასაწყებად. პლანეტაზე უფრო მეტი თორიუმია, ვიდრე ურანი და მისი ატომური საწვავის გამოყენება ერთდროულად წყვეტს თანამედროვე ბირთვული ენერგიის რამდენიმე პრობლემას.

ამრიგად, თორიუმის დაშლის პროდუქტების გამოყენება არ შეიძლება სამხედრო რადიოაქტიური მასალების წარმოებისთვის. ასეთი გამოყენების შესაძლებლობა ემსახურება როგორც პოლიტიკურ ფაქტორს, რომელიც ხელს უშლის პატარა ქვეყნებს საკუთარი ბირთვული ენერგიის განვითარებაში. თორიუმის საწვავი წყვეტს ამ პრობლემას ერთხელ და სამუდამოდ.

პლაზმური ხაფანგები შეიძლება სასარგებლო იყოს არა მხოლოდ ენერგეტიკაში, არამედ სხვა მშვიდობიან ინდუსტრიებში - თუნდაც კოსმოსში. ახლა Rosatom და კურჩატოვის ინსტიტუტი მუშაობენ კომპონენტებზე კოსმოსური ხომალდებისთვის უელექტრო პლაზმური რაკეტის ძრავისთვის და მასალების პლაზმური მოდიფიკაციის სისტემებზე. ITER-ის პროექტში რუსეთის მონაწილეობა ასტიმულირებს ინდუსტრიას, რაც იწვევს ახალი ინდუსტრიების შექმნას, რომლებიც უკვე ქმნიან საფუძველს რუსეთის ახალი განვითარებისთვის.