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

Зубодробительные останки: как древний крокодил погрыз ленивца Зубодробительные останки: как древний крокодил погрыз ленивца

Находка, сделанная в далеком 2004 году, переродилась в детективную историю

National Geographic
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
Ешь, двигайся, спи Ешь, двигайся, спи

Как повседневные решения влияют на здоровье и долголетие

kiozk originals
Рынок рыбака видит издалека Рынок рыбака видит издалека

Четыре региона готовы разрешить рыболовам-любителям продавать улов

РБК
Хватит мечтать, займись делом! Хватит мечтать, займись делом!

Почему важнее хорошо работать, чем искать хорошую работу

kiozk originals
Нашу реальность поставили под сомнение Нашу реальность поставили под сомнение

Парадокс, который ставит под сомнение представления о физической реальности

Популярная механика
Гайд для тех, кто хочет научиться играть на гитаре: ответы на 9 частых вопросов новичков Гайд для тех, кто хочет научиться играть на гитаре: ответы на 9 частых вопросов новичков

Сборник ответов на самые популярные вопросы, возникающие у начинающих гитаристов

Playboy
Женский живот: полезно или опасно качать пресс? Женский живот: полезно или опасно качать пресс?

Как состояние пресса сказывается на женском здоровье?

Psychologies
Лучший костюм на Хэллоуин — страшно красивые идеи от звезд и блогеров Лучший костюм на Хэллоуин — страшно красивые идеи от звезд и блогеров

Отыскать эффектный костюм на Хэллоуин — целое приключение

Cosmopolitan
Дольче Вита незабыта Дольче Вита незабыта

Три дня в родном регионе Федерико Феллини

National Geographic Traveler
Манипуляторы настроением: как разработчики заставляют пользователей ставить приложениям для Apple максимальный рейтинг Манипуляторы настроением: как разработчики заставляют пользователей ставить приложениям для Apple максимальный рейтинг

Разработчики приложений используют хорошее настроение владельцев iPhone

Forbes
Движение вверх Движение вверх

Александр Молочников и его география

Vogue
ЦБ делает ставку на будущее ЦБ делает ставку на будущее

Центральный банк принял решение публиковать ожидаемую траекторию ключевой ставки

РБК
11 самых нелепых случаев использования компьютерной графики в кино 11 самых нелепых случаев использования компьютерной графики в кино

Иногда компьютерная графика только портит фильм

Maxim
Что эффективнее: работать быстрее или дольше? Что эффективнее: работать быстрее или дольше?

Вопрос тайм-менеджмента при нашей активной жизни всегда актуален

Psychologies
Правила жизни Леонарда Коэна Правила жизни Леонарда Коэна

Правила жизни поэту и музыканта Леонарда Коэна

Esquire
Алина Фаркаш о том, почему нам всем срочно нужно расслабиться Алина Фаркаш о том, почему нам всем срочно нужно расслабиться

Многим из нас нужно поставить в приоритет душевное спокойствие и личный комфорт

Cosmopolitan
Toyota RAV4: за что не надо переплачивать Toyota RAV4: за что не надо переплачивать

2 литра как золотой стандарт

Maxim
Вошли в моду Вошли в моду

Можно ли начать карьеру в фешен-бизнесе с нуля?

Cosmopolitan
Почему летом жарко, а зимой холодно? Почему летом жарко, а зимой холодно?

Почему наступают зима, весна, лето, осень?

Наука и жизнь
Планета нервных Планета нервных

Как жить в мире процветающей паники

kiozk originals
Специальные Lada: 8 самых необычных автомобилей АвтоВАЗа Специальные Lada: 8 самых необычных автомобилей АвтоВАЗа

Универсал для словацких полицейских и другие модификации Lada

РБК
Смотри в оба: какие цвета человек никогда не увидит Смотри в оба: какие цвета человек никогда не увидит

Вы никогда не увидите красновато-зеленый и желтовато-синий цвета

Популярная механика
Австралийцы покорившие Голливуд: как им это удалось – сложности, провалы и успех Австралийцы покорившие Голливуд: как им это удалось – сложности, провалы и успех

11 парней с Зеленого континента, покоривших Америку

Cosmopolitan
Дом веселых и находчивых Дом веселых и находчивых

Модернистский дом 1960‑х годов в идеальном состоянии

AD
Как семейство Кардашьян заработало больше $2 млрд благодаря 14-летнему реалити-шоу Как семейство Кардашьян заработало больше $2 млрд благодаря 14-летнему реалити-шоу

Как вышло, что с закрытием шоу «Семейства Кардашьян» доходы семьи не иссякнут?

Forbes
Думай как миллионер Думай как миллионер

17 уроков состоятельности для тех, кто готов разбогатеть

kiozk originals
Гормоны стресса — виновники лишнего веса! Как «приручить» кортизол и адреналин? Гормоны стресса — виновники лишнего веса! Как «приручить» кортизол и адреналин?

Как работают гормоны стресса и как сохранить здоровье и красоту?

Cosmopolitan
Почему мы боимся того, чего с нами не случалось? Почему мы боимся того, чего с нами не случалось?

Наши страхи порой кажутся совершенно иррациональными

Psychologies
Социальная сеть Социальная сеть

Как основатель Facebook заработал $4 млрд и приобрел 500 млн друзей

kiozk originals
Открыть в приложении