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

Вакцинация: как работают прививки и почему их надо делать Вакцинация: как работают прививки и почему их надо делать

Прививки — большое зло или наше спасение?

Популярная механика
Экстракт из личинок мух эффективен в борьбе с патогенами растений Экстракт из личинок мух эффективен в борьбе с патогенами растений

Метод, позволивший получить экстракт биологически активных веществ из личинок

Популярная механика
Кристофер Мур: Грязная работа. Отрывок Кристофер Мур: Грязная работа. Отрывок

Фрагмент романа Кристофера Мура про подручного Смерти

СНОБ
Сын Виктора Цоя Александр — о скандале вокруг фильма Алексея Учителя Сын Виктора Цоя Александр — о скандале вокруг фильма Алексея Учителя

Интервью с Александром Цоем — о детстве, славе отца и фильме Алексея Учителя

РБК
Самый богатый человек в Вавилоне Самый богатый человек в Вавилоне

Пересмотрено и адаптировано для XIX века

kiozk originals
Банки выдают карты подросткам. К чему готовиться родителям? Банки выдают карты подросткам. К чему готовиться родителям?

Количество банковских карт для подростков будет только расти

Forbes
Влияет ли среда обитания на запах и вкус пищи Влияет ли среда обитания на запах и вкус пищи

Почва, климат и микробы могут формировать вкус сельскохозяйственных культур

Популярная механика
Мужские и женские цветки орхидеи запахли по-разному ради пчел Мужские и женские цветки орхидеи запахли по-разному ради пчел

Пчелы всегда садятся сначала на мужской цветок, потом на женский

N+1
Цивилизация Цивилизация

Чем Запад отличается от остального мира

kiozk originals
Не думайте о покупателе: как вырастить стартап, который купит Apple Не думайте о покупателе: как вырастить стартап, который купит Apple

Что необходимо учитывать при создании стартапа, чтобы заинтересовать Apple

Forbes
Аномальное тепло помешало мышам и хомячкам вырастить детей Аномальное тепло помешало мышам и хомячкам вырастить детей

При высокой температуре воздуха самки чаще убивают собственных детенышей

N+1
Еще 5 легендарных мечей, которые до сих пор целы Еще 5 легендарных мечей, которые до сих пор целы

Продолжаем серию ЖЗМ — «Жизнь замечательных мечей».

Maxim
Материнство раннее и позднее: в чем разница? Материнство раннее и позднее: в чем разница?

Что лучше: родить в юности или завести ребенка в зрелом возрасте?

Psychologies
10 самых безумных грузов, перевезенных по воздуху 10 самых безумных грузов, перевезенных по воздуху

Авиаперевозки, не поддающиеся никакой классификации.

Популярная механика
18 ляпов, попавших на киноафиши 18 ляпов, попавших на киноафиши

Даже на афишах блокбастеров порой достаточно ошибок и ляпов

Maxim
Лучшие комиксы и графические романы для подростков в 2020 году Лучшие комиксы и графические романы для подростков в 2020 году

Графические романы, манги и комиксы, завоевавшие мир

СНОБ
Ринас Ахмадеев, чемпион России в полумарафоне, отвечает на самые глупые вопросы о беге Ринас Ахмадеев, чемпион России в полумарафоне, отвечает на самые глупые вопросы о беге

А похудеть с помощью бега можно? Будут болеть колени? Как не умереть со скуки?

GQ
Зубная фея Зубная фея

Эксперты о современных методах лечения неправильного прикуса

Vogue
Королева детективов: 9 мифов об Агате Кристи Королева детективов: 9 мифов об Агате Кристи

«Убийца — дворецкий»: как на самом деле писала Агата Кристи

Вокруг света
Все о наращивании ресниц: 6 технологий — выбери свою Все о наращивании ресниц: 6 технологий — выбери свою

Все плюсы и минусы различных техник наращивания ресниц

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
Ежедневный уход за новорожденным Ежедневный уход за новорожденным

Как правильно ухаживать за малышом?

9 месяцев
8 главных фильмов о моде 8 главных фильмов о моде

Фильмы о фэшн-индустрии и манящей глянцевой жизни

Cosmopolitan
Неизбежно Неизбежно

12 технологических трендов, которые определяют наше будущее

kiozk originals
5 психологических уловок, которые сделают жизнь проще 5 психологических уловок, которые сделают жизнь проще

5 хитростей психологии, которые помогут расположить к себе людей

Cosmopolitan
Карьерное самоубийство: три главные ошибки гендиректоров, которые приводят к увольнению Карьерное самоубийство: три главные ошибки гендиректоров, которые приводят к увольнению

Как вести себя, чтобы продержаться в заветном кресле как можно дольше

Forbes
Роберта Паттинсона, Тома Холланда и Билла Скарсгарда бесы попутали Роберта Паттинсона, Тома Холланда и Билла Скарсгарда бесы попутали

Бог забыл про Огайо и Западную Виргинию, надвигается кромешная тьма

GQ
Коучинг-лидерство Коучинг-лидерство

Говори меньше, спрашивай больше и навсегда измени свой стиль управления

kiozk originals
Почему Жан-Мишель Баския так много значит для современной моды Почему Жан-Мишель Баския так много значит для современной моды

Почему работы Жана-Мишеля Баскии так притягательны для дизайнеров

GQ
12 видов угроз твоему компьютеру и как с ними бороться 12 видов угроз твоему компьютеру и как с ними бороться

Просто записаться на бокс в Интернете не помогает

Maxim
Открыть в приложении