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
Шанель, Кало и Диана: 13 женщин, которые изменили мир Шанель, Кало и Диана: 13 женщин, которые изменили мир

История знает немало случаев, когда женщины влияли на происходящее в обществе

Cosmopolitan
Как худеть после родов и сколько калорий вы тратите, пока кормите грудью? Как худеть после родов и сколько калорий вы тратите, пока кормите грудью?

Ваш главный тренер и диетолог перед вами — это ваш ребенок

9 месяцев
Партизанская культура: как стрит-арт отстаивает свое место в городах Партизанская культура: как стрит-арт отстаивает свое место в городах

Проясняем судьбу стрит-арта в России

РБК
32 вопроса, которые стоит задать бабушке с дедушкой 32 вопроса, которые стоит задать бабушке с дедушкой

Насколько хорошо вы на самом деле знаете своих дедушек и бабушек?

Psychologies
Правила жизни Майкла Дугласа Правила жизни Майкла Дугласа

Правила жизни актера Майкла Дугласа

Esquire
5 мифов о еде, которые все принимают за правду. Новая книга-разоблачение 5 мифов о еде, которые все принимают за правду. Новая книга-разоблачение

Какие идеи могут вредить здоровью и мешать нормализации веса

РБК

Самый добрый и умиротворяющий сериал года: «Тед Лассо»

Esquire
Родители хотели мальчика: несчастливое детство принцессы Дианы Родители хотели мальчика: несчастливое детство принцессы Дианы

Детство Дианы Спенсер не отличалось множеством счастливых моментов

Cosmopolitan
Человек стали: как Генри Бессемер перевернул металлургию Человек стали: как Генри Бессемер перевернул металлургию

А что если ген изобретательства действительно существует?

Популярная механика
Homo Deus Homo Deus

Краткая история будущего

kiozk originals
Выбирай, не выбирая: как нам запрещают заботиться о своей безопасности Выбирай, не выбирая: как нам запрещают заботиться о своей безопасности

Как женщинам сначала запрещают заботиться о своей безопасности

Cosmopolitan
Бисмарк: коварный циник и создатель единой Германии Бисмарк: коварный циник и создатель единой Германии

Немцы редко гордятся методами, которые Бисмарк использовал для достижения целей

Дилетант

Почему Эдуард VIII не занял трон в 1936 году

Cosmopolitan
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
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
Потребность острова Потребность острова

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

Weekend
Анатомия преступления Анатомия преступления

Что могут рассказать насекомые, отпечатки пальцев и ДНК

kiozk originals
Белая полоса Белая полоса

Что провоцирует появление растяжек и можно ли их предотвратить?

Лиза
Регуляторные генетические элементы помогли рыбкам отрастить новые плавники Регуляторные генетические элементы помогли рыбкам отрастить новые плавники

Обнаружены гены и другие последовательности, активные во время регенерации

N+1
«Гнездо» перевернутых ролей: фильм, где Джуд Лоу живет на содержании у жены, притворяясь миллионером «Гнездо» перевернутых ролей: фильм, где Джуд Лоу живет на содержании у жены, притворяясь миллионером

«Гнездо» — индидрама про смену традиционных гендерных ролей

Forbes
12 очаровательных городков Греции 12 очаровательных городков Греции

Мы всегда торопимся на пляжи островов. Хотя могли бы гулять по милым улочкам

GQ
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
Как дети иммигрантов из России и Израиля создали в США сервис доставки продуктов стоимостью в $3 млрд Как дети иммигрантов из России и Израиля создали в США сервис доставки продуктов стоимостью в $3 млрд

Получится ли у сервиса доставки еды GoPuff выйти за пределы американского рынка?

Forbes
Лесная поликлиника Лесная поликлиника

Какими способами самолечения пользуются животные?

Вокруг света
Иммунитет Иммунитет

Роль иммунной системы

kiozk originals
Стив Джобс Стив Джобс

Первая и единственная биография Стива Джобса

kiozk originals
Изменения мозга космонавтов объяснили нейропластичностью Изменения мозга космонавтов объяснили нейропластичностью

Почему у космонавтов меняется объем белого и серого вещества мозга

N+1
Говорит и показывает Говорит и показывает

Сдаем явки столицы России

Лиза
Шелковый Путь Шелковый Путь

Дорога тканей, рабов, идей и религий

kiozk originals
Открыть в приложении