Каким ученые видят решение грядущего энергетического дефицита

N+1Наука

Приручить энергию звезд

Каким ученые видят решение грядущего энергетического дефицита

Тимофей Кочкар

Международное энергетическое агентство предрекает, что к 2040 году спрос на электричество вырастет на 70 процентов. Решение грядущей энергетической проблемы ученые видят в приручении термоядерного синтеза – реакции, которая питает Солнце и звезды. N + 1 вместе с ГК «Росатом» рассказывают, почему это источник безопасной, чистой и практически безграничной энергии на Земле.

Саровский эксперимент

Топливом для термоядерного синтеза может служить дейтерий, запасов которого в морях и океанах хватит на сотни миллионов лет. В паре с ним может быть использован тритий, который нарабатывается в специальных реакторах. В отличие от существующих атомных реакторов, где расщепляются ядра плутония или урана, в случае с термоядерным синтезом нет риска неконтролируемой цепной реакции. Поскольку ядра не расщепляются, а сливаются, нет радиоактивных продуктов распада атомных ядер, требующих утилизации в быстрых ядерных реакторах или захоронения. В случае же чрезвычайной ситуации не будет многолетнего радиоактивного заражения, так как тритий, единственная радиоактивная составляющая термоядерного топлива, имеет гораздо меньший, по сравнению с топливом АЭС, период полураспада.

Впервые об использовании термоядерного синтеза для получения энергии заговорили в 1950-х годах в СССР. И вот спустя полвека исследований, разработок, испытаний ученые подошли к этапу, когда термоядерный синтез уже в обозримом будущем может доказать свою выгоду и целесообразность.

В Сарове к 2022 году планируется построить установку, реализующую концепцию лазерного термоядерного синтеза, при котором вещество мишени нагревается и сжимается до нужных температур и давления. Эту концепцию впервые в 1964 году предложили академики Николай Басов и Олег Крохин. Установка в Сарове будет в полтора раза мощнее самой крупной из ныне действующих подобных установок National Ignition Facility, которая расположена в США. Это пока еще не термоядерный реактор, такие установки не производят электричество, так как получаемое тепло просто отводится. Но позволяют проводить эксперименты для совершенствования технологии удержания плазмы. Одна из целей проекта заключается в демонстрации коммерческой жизнеспособности подобных реакторов.

Два к одному

Синтез подразумевает создание чего-то нового. Так и при термоядерном синтезе происходит слияние двух ядер атомов легких элементов, в результате чего образуется более тяжелый элемент. Наряду с образованием более тяжелых элементов выделяется большое количество избыточной кинетической энергии. Чтобы синтез произошел, нужно сблизить ядра легких элементов до расстояния размеров самого ядра. Тогда в действие вступят ядерные силы, которые вынудят два ядра слипнуться в одно. Это дает в 3 миллиона раз больше энергии, чем при сгорании одной молекулы углеводорода.

Однако соединить два ядра не так просто. Слиянию ядер препятствуют электрическая сила отталкивания Кулона. Эта сила растет обратно пропорционально квадрату расстояния между ними:

где F — сила Кулона, r — расстояние между взаимодействующими ядрами (10 -14 метра), q1 и q2 — заряды взаимодействующих ядер (1,6×10 -19 Кулона), k — коэффициент пропорциональности (9×109 фарадей на метр)

То есть для синтеза ядер и выделения избыточной энергии необходимо совершить работу против сил отталкивания.

Для термоядерного синтеза могут быть использованы элементы, близкие к гелию по атомной массе. Реакции синтеза возможны с участием лития, бора, гелия, бериллия и других. Легче всего происходит слияние изотопов водорода: дейтерия D и трития T. Ядро дейтерия – дейтрон – содержит один протон и один нейтрон. Два нейтрона и протон образуют ядро трития – тритон. Сечение и скорость протекания реакции D + T гораздо выше, чем у других кандидатов на участие в синтезе. Величина сечения реакции показывает вероятность взаимодействия элементарной частицы с атомным ядром или другой частицей и измеряется в барнах. Для реакции D + T значительно проще достичь состояния, когда выделившаяся энергия превысит затраты на процесс слияния. Температура, при которой будет проходить реакция термоядерного синтеза, составляет 10 килоэлектронвольт или 100 миллионов градусов. Тогда как другие элементы придется нагревать до 100 килоэлектронвольт. Такие температуры на Земле пока недостижимы.

Термоядерный синтез из дейтерия и трития

Сами элементы достаточно доступны, чтобы производить энергию долго и в больших объемах. Дейтерий содержится в морской воде в соотношении одна часть на 6500 частей водорода. Тритий – это радиоактивный элемент, нестабилен, но имеет относительно малый период полураспада 12,4 года. В природе тритий появляется за счет соударения космического излучения с ядрами атомов азота в верхних слоях атмосферы. Поэтому его можно найти в осадочных породах. Также тритий получают как отход ядерных реакторов АЭС. Но для промышленного использования его нарабатывают в специальных реакторах, облучая стальные стержни с добавлением лития. В результате слияния реакции D + T получается гелий с атомной массой 4 и энергией 3,5 мегаэлектронвольт и быстрый нейтрон с энергией 14,1 мегаэлектронвольт. Таким образом, нейтрон, улетая, уносит большую часть энергии.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Мы выбираем друг друга не случайно Мы выбираем друг друга не случайно

Выбор партнера предопределен всем предшествующим ходом нашей жизни

Psychologies
Исаак Ньютон Исаак Ньютон

Вся правда о легендарном ученом

kiozk originals
Контрацепция: что, когда и как рассказывать подросткам Контрацепция: что, когда и как рассказывать подросткам

Стоит ли нам говорить с подростками о контрацепции?

Psychologies
Здесь и сейчас Здесь и сейчас

Как научиться есть осознанно?

Худеем правильно
Портфолио бедности Портфолио бедности

Как бедняки живут на $2 в день

kiozk originals
«Я свободолюбивая девушка и сразу обозначаю границы» «Я свободолюбивая девушка и сразу обозначаю границы»

Что есть в жизни теннисистки Анастасии Павлюченковой, кроме спорта

OK!
Правила жизни Маколея Калкина Правила жизни Маколея Калкина

Правила жизни актера Маколея Калкина

Esquire
7 продуктов, которые нельзя давать собаке (они для нее опасны) 7 продуктов, которые нельзя давать собаке (они для нее опасны)

Не балуй любимца этими угощениями

Playboy
«Я с ней только из-за детей» и другая ложь моего женатого любовника «Я с ней только из-за детей» и другая ложь моего женатого любовника

Многие женщины попадают в ловушку отношений с несвободным мужчиной

Psychologies
Монологи матерей фигурантов дела «Нового величия» Монологи матерей фигурантов дела «Нового величия»

Чувства матерей участников дела «Нового величия»

СНОБ
Форт-Нокс — самое недоступное хранилище на Земле Форт-Нокс — самое недоступное хранилище на Земле

Где находится неприкосновенный американский золотой запас

Maxim
Почему кефир и квашеная капуста — суперфуды Почему кефир и квашеная капуста — суперфуды

Чем полезны кефир и квашеная капуста и можно ли есть их постоянно?

РБК
Алексей Морозов: «Люблю крутые виражи» Алексей Морозов: «Люблю крутые виражи»

Мы привыкли видеть Алексея Морозова в ролях сильных, бескомпромиссных парней

Добрые советы
Доктор в плюсе: зачем сервис с инвестициями «Яндекса» объединился с лидером рынка телемедицины Доктор в плюсе: зачем сервис с инвестициями «Яндекса» объединился с лидером рынка телемедицины

Чем важно объединение «МК Доктор рядом» и сервиса Doc+?

Forbes
NEXTA Live — самый популярный Telegram-канал о протестах в Беларуси, который читают более миллиона человек. Откуда он взялся и кто его делает? NEXTA Live — самый популярный Telegram-канал о протестах в Беларуси, который читают более миллиона человек. Откуда он взялся и кто его делает?

Как телеграм-каналы NEXTA и NEXTA Live стали поставщиками новостей из Белоруссии

Esquire
Одна вокруг света: знакомство с Катманду глазами людей, влюбленных в Непал Одна вокруг света: знакомство с Катманду глазами людей, влюбленных в Непал

82-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко

Forbes
Налей одним нажатием: 12 лучших приложений для любителей вина Налей одним нажатием: 12 лучших приложений для любителей вина

Эти приложения дают возможность присоединиться к сообществу любителей вина

Forbes
Будем париться! Правила для взрослых и детей Будем париться! Правила для взрослых и детей

Как правильно париться в бане, чтобы не навредить здоровью? Надо разобраться

Домашний Очаг
Правила жизни Эдварда Нортона Правила жизни Эдварда Нортона

Эдвард Нортон: «Моя карьера началась с театра»

Esquire
Молодильные ягоды: Как сделать маску из клубники Молодильные ягоды: Как сделать маску из клубники

Второй месяц лета — время клубники

Seasons of life
Скульптор Мария Диллон Скульптор Мария Диллон

История первой русской женщины-скульптора

Наука и жизнь
Все тлен: чем вызвано подавленное состояние после алкоголя и как с ним справиться Все тлен: чем вызвано подавленное состояние после алкоголя и как с ним справиться

Почему после алкоголя мы такие подавленные?

Playboy
11 звонких фактов о Царь-колоколе 11 звонких фактов о Царь-колоколе

Начнем с того, что у Царь-колокола плохая карма, а еще его нельзя спаивать

Maxim
Тотем, дай мне свою силу Тотем, дай мне свою силу

Как предметы и животные влияют на нашу жизнь?

Psychologies
«А вдруг мама умрет?»: что делать с подростковой тревогой «А вдруг мама умрет?»: что делать с подростковой тревогой

Тревога подростков нестерпима, а признаться в ней — стыдно

Psychologies
10 военных фильмов, где все герои выжили 10 военных фильмов, где все герои выжили

Иногда на войне не как на войне…

Maxim
Как отличить восстановленный айфон от нового Как отличить восстановленный айфон от нового

Главные отличия восстановленного айфона от нового устройства или подделки

CHIP
История одной песни: «Распутин» Boney M. История одной песни: «Распутин» Boney M.

Шлягер, который мгновенно запретили угадай в какой стране

Maxim
Лучшие цитаты про алкоголь: 49 афоризмов, которые стоит запомнить Лучшие цитаты про алкоголь: 49 афоризмов, которые стоит запомнить

Коллекция самых лучших высказываний об алкоголе

Playboy
Привычка жениться: мировые звезды-рекордсмены по количеству браков Привычка жениться: мировые звезды-рекордсмены по количеству браков

Один раз - и на всю жизнь? Нет, это точно не про наших героев

Cosmopolitan
Открыть в приложении