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

5 причин сказать Генри Форду спасибо за то, что он сделал твою жизнь лучше 5 причин сказать Генри Форду спасибо за то, что он сделал твою жизнь лучше

Ты ведь, наверное, об этом и не догадывался…

Maxim
Избыточные иллюстрации помешали детям понять прочитанное Избыточные иллюстрации помешали детям понять прочитанное

Если картинок слишком много, то эффективность обучения чтения под вопросом

N+1
Риф Риф

Отрывок из нового романа Алексея Поляринова «Риф»

Esquire
«Голодная степь: Голод, насилие и создание Советского Казахстана» «Голодная степь: Голод, насилие и создание Советского Казахстана»

Что мешало казахам перейти к оседлой жизни?

N+1
Вторая попытка: тест Volkswagen Multivan T6.1 Вторая попытка: тест Volkswagen Multivan T6.1

Тест-драйв Volkswagen Multivan T6.1

Популярная механика
Вызывая улыбку: какие тренды преобладают в косметической стоматологии Вызывая улыбку: какие тренды преобладают в косметической стоматологии

Что такое эстетическая стоматология и какие процедуры вам необходимы

Forbes
Путешествия во времени Путешествия во времени

Почему людям так хочется вернуться в прошлое и заглянуть в будущее?

kiozk originals
Как снять гель-лак: все способы и лайфхаки от мастеров маникюра Как снять гель-лак: все способы и лайфхаки от мастеров маникюра

Домашние способы снять гель-лак, которые несложно освоить

Cosmopolitan
«Полное разочарование»: проблемы с регуляторами, недоверие инвесторов, падение оценки втрое за год и другие беды Juul «Полное разочарование»: проблемы с регуляторами, недоверие инвесторов, падение оценки втрое за год и другие беды Juul

Как лидер рынка электронных сигарет в США продолжает бороться за свой бизнес

VC.RU
Человек стали: как Генри Бессемер перевернул металлургию Человек стали: как Генри Бессемер перевернул металлургию

А что если ген изобретательства действительно существует?

Популярная механика
Оскар Уайльд Оскар Уайльд

Правила жизни английского писателя Оскара Уайльда

Esquire
Как правильно гладить брюки со стрелками: пошаговая инструкция Как правильно гладить брюки со стрелками: пошаговая инструкция

Руководство по созданию стрелок утюгом и парогенератором на мужских брюках

Playboy
Может ли в человеке быть несколько личностей Может ли в человеке быть несколько личностей

Как человеческий мозг создает истории, способные захватить внимание зрителя

СНОБ
«Материнство головного мозга» — миф или реальность? «Материнство головного мозга» — миф или реальность?

Отрывок из книги «Женский мозг: нейробиология здоровья, гормонов и счастья»

СНОБ
Время динозавров Время динозавров

Новая история древних ящеров

kiozk originals
В сухом остатке В сухом остатке

Чтобы поскорее вернуть форму, адепты сухого голодания отказались даже от воды

Tatler
Пять трюков, которым можно научить кошку Пять трюков, которым можно научить кошку

Кошек можно дрессировать, если найти к ним правильный подход

Популярная механика
Тихий остров Тихий остров

Палитра этого дома навеяна песчаными холмами, сухотравьем и волнами Атлантики

AD
Паста по правилам Паста по правилам

Паста – не гарнир, а полноценное блюдо. Как его приготовить полезным и вкусным?

Худеем правильно
Как правила и границы помогут справиться с детскими капризами Как правила и границы помогут справиться с детскими капризами

Жизнь без границ и ориентиров делает ребенка очень уязвимым

Psychologies
15 мыслей Алессандро Дель Пьеро 15 мыслей Алессандро Дель Пьеро

О мастере эпохи возрождения итальянского футбола

GQ
Любимые рецепты Лали Чочия: фаршированные перцы Любимые рецепты Лали Чочия: фаршированные перцы

Ностальгируем по Одессе и делимся рецептом фаршированных перцев

Seasons of life
Начало бесконечности Начало бесконечности

Объяснения, которые меняют мир

kiozk originals
Основательница компании «Cозвездие PI» — о лидерстве на бьюти-рынке Основательница компании «Cозвездие PI» — о лидерстве на бьюти-рынке

Как за пять лет сделать из стартапа успешный бьюти-бизнес

РБК
Мифология Мифология

Бессмертные истории о богах и героях

kiozk originals
Безглазые пескорои потеряли юго-запад Безглазые пескорои потеряли юго-запад

Эти грызуны практически слепые, но они ориентируются на магнитное поле

N+1
Правила жизни Пола Ньюмана Правила жизни Пола Ньюмана

Правила жизни актера, режиссера и филантропа Пола Ньюмана

Esquire
Не только лизать: 10 языков животных и необычные факты о них Не только лизать: 10 языков животных и необычные факты о них

Мы используем свой язык для облизывания, глотания и разговора. А животные?

Популярная механика
Dior Dior

Коллекции Марии Грации Кьюри и Кима Джонса для Dior

Weekend
5 самых больших буровых установок: нефтегазовые колоссы 5 самых больших буровых установок: нефтегазовые колоссы

Буровые платформы - Гулливеры, в сравнении с которыми суда кажутся лилипутами

Популярная механика
Открыть в приложении