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
Почему мы все заняты бесполезной работой Почему мы все заняты бесполезной работой

Технический прогресс сильнее привязал людей к бессмысленной работе

Esquire
Сера: из отходов в материал будущего Сера: из отходов в материал будущего

В мире ежегодно производится почти 80 миллионов тонн серы

Наука и жизнь
Конец сказки Конец сказки

Чем может обернуться замужество

Лиза
Чего ей не хватает Чего ей не хватает

Психология бедности: как она мешает нам разбогатеть

Cosmopolitan
Почему на меня не обращают внимания девушки? 7 возможных причин Почему на меня не обращают внимания девушки? 7 возможных причин

Как изменить себя и привлечь внимание девушек?

Playboy
48 законов власти 48 законов власти

Практическое руководство для тех, кто стремится обрести власть

kiozk originals
Белая полоса Белая полоса

Что провоцирует появление растяжек и можно ли их предотвратить?

Лиза
Двойная спираль Двойная спираль

Открытие структуры ДНК

kiozk originals
Что значит быть плейбоем-2020 Что значит быть плейбоем-2020

Каким должен быть настоящий мужчина? Интервью с наследником бьюти-империи

Playboy
5 безумных идей для защиты природы, которые сработали 5 безумных идей для защиты природы, которые сработали

Как обманывать львов, браконьеров и саму Землю

Maxim
«Ты сможешь»: 6 шагов, чтобы стать таким, каким мечтаешь «Ты сможешь»: 6 шагов, чтобы стать таким, каким мечтаешь

Как укрепить веру в собственные силы?

Psychologies
Считавшуюся вымершей бразильскую лягушку переоткрыли с помощью экзогенной ДНК Считавшуюся вымершей бразильскую лягушку переоткрыли с помощью экзогенной ДНК

Лягушку Megaelosia bocainensis не встречали с 1968 года

N+1
Кто бы мог подумать, что Porsche 718 Cayman S – отличная машина на каждый день Кто бы мог подумать, что Porsche 718 Cayman S – отличная машина на каждый день

Porsche 718 Cayman S — экономичное спортивное купе

GQ
5 закрученных фактов об усах 5 закрученных фактов об усах

Из истории усов: во время Первой мировой усы могли стоить солдату жизни

Maxim
Ладан для народа Ладан для народа

Благовония как национальное достояние Йемена

Вокруг света
Энергия солнца. Оскар Хартманн — о том, как заставить деньги приносить счастье Энергия солнца. Оскар Хартманн — о том, как заставить деньги приносить счастье

Приносят ли деньги счастье?

Forbes
Быстрый рост деревьев отрицательно сказался на продолжительности их жизни Быстрый рост деревьев отрицательно сказался на продолжительности их жизни

Чем быстрее растут деревья, тем раньше они умирают

N+1
Объяснить необъяснимое: кто подпадает под действие британского закона о неочевидных источниках благосостояния Объяснить необъяснимое: кто подпадает под действие британского закона о неочевидных источниках благосостояния

Как доказать британским властям юридическую чистоту источника денежных средств

Forbes
Как, где и зачем делать прививку от гриппа Как, где и зачем делать прививку от гриппа

Что такое прививки от гриппа, насколько они эффективны и как их сделать?

Cosmopolitan
Люди спасли от вымирания не менее 28 видов птиц и млекопитающих с 1993 года Люди спасли от вымирания не менее 28 видов птиц и млекопитающих с 1993 года

Меры по охране природы позволили предотвратить исчезновение 28–48 видов

N+1
7 главных героев фильмов, которые (скорее всего) умерли, а ты и не заметил 7 главных героев фильмов, которые (скорее всего) умерли, а ты и не заметил

Требуем вернуть наши деньги, заплаченные за хэппи энд!

Maxim
Потребность острова Потребность острова

«Остров Утопия» Куба в документальном фильме «Эпицентр» Хуберта Саупера

Weekend
«Необитаемая Земля. Жизнь после глобального потепления» «Необитаемая Земля. Жизнь после глобального потепления»

Отрывок из книги Дэвида Уоллеса-Уэллса о глобальном потеплении

N+1
Самоорганизация неупорядоченных цепочек внутри стекла сделала его твердым Самоорганизация неупорядоченных цепочек внутри стекла сделала его твердым

Физики показали, как и почему стекло становится твердым при охлаждении

N+1
Колину Ферту - 60! Король Георг, Дарси, спецагент и другие перевоплощения Колину Ферту - 60! Король Георг, Дарси, спецагент и другие перевоплощения

Время напомнить, чем знаменит Колин Ферт

Cosmopolitan
Черепашата заинтересовались изображениями лиц Черепашата заинтересовались изображениями лиц

Почему черепашата ориентируются на лица?

N+1
Химерный белок ускорил переработку бутылочного пластика Химерный белок ускорил переработку бутылочного пластика

Белок-химера поможет уменьшить влияние микропластика на окружающую среду

N+1
«Мальчик и девочка должны иметь равные возможности играть». Полина Юмашева — о работе в РФС, равенстве в спорте и развитии женского футбола «Мальчик и девочка должны иметь равные возможности играть». Полина Юмашева — о работе в РФС, равенстве в спорте и развитии женского футбола

Полина Юмашева о развитии женского футбола в России

Forbes
Как самостоятельно выучить иностранный язык: 12 советов, которые работают Как самостоятельно выучить иностранный язык: 12 советов, которые работают

Лайфхаки для изучающих языки от Марии Минаевой

Playboy
Открыть в приложении