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

Два исторических маршрута в Царицыне Два исторических маршрута в Царицыне

С сентября в Царицыне запускаются исторические прогулочные маршруты по парку

Seasons of life
Отрывок из книги Эрика-Эмманюэля Шмитта «Дневник утраченной любви» Отрывок из книги Эрика-Эмманюэля Шмитта «Дневник утраченной любви»

Некоторые главы романа «Дневник утраченной любви» Эрика-Эмманюэля Шмитта

СНОБ
Рынок или ателье: как образуются огромные черные дыры Рынок или ателье: как образуются огромные черные дыры

Слияние черных дыр с сильно отличающейся массой идет по особому сценарию

Популярная механика
Варвара-краса Варвара-краса

Звезда сериала «Чики» Варвара Шмыкова провела 2020‑й получше многих

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

2 литра как золотой стандарт

Maxim
Оставайся тверже камня! Что делать, если он потерял эрекцию Оставайся тверже камня! Что делать, если он потерял эрекцию

Что делать, если у него «грустный слоник» и как спасти положение

Cosmopolitan
В ожидании зла. Зачем смотреть фильм «Ассистентка», отсылающий к скандалам #metoo В ожидании зла. Зачем смотреть фильм «Ассистентка», отсылающий к скандалам #metoo

Почему стоит посмотреть минималистичную картину, отсылающую к скандалам #metoo

Forbes
«Я будто все та же юная девушка с огоньком в глазах». Марион Котийяр — о начале карьеры, Каннах и сотрудничестве с Chopard «Я будто все та же юная девушка с огоньком в глазах». Марион Котийяр — о начале карьеры, Каннах и сотрудничестве с Chopard

Марион Котийяр о сотрудничестве с Chopard, любимых украшениях и Каннах

Forbes
10 фактов о римских гладиаторах, которых вы могли не знать 10 фактов о римских гладиаторах, которых вы могли не знать

Кровавая бойня без правил — так большинство представляет себе гладиаторские бои

Популярная механика
Сердце: история Сердце: история

Все тайны работы важнейшего органа нашего тела

kiozk originals
Как терапия помогает справиться со стыдом и по-настоящему вырасти Как терапия помогает справиться со стыдом и по-настоящему вырасти

Как помочь себе избавиться от детских убеждений и увидеть мир возможностей?

Psychologies
Не помню – значит, не было Не помню – значит, не было

Зачем наш мозг обманывает нас, изменяя память?

Лиза
Квартирный вопрос: полезные лайфхаки для дома и кухни Квартирный вопрос: полезные лайфхаки для дома и кухни

Хотите облегчить уборку и всегда поддерживать дома порядок?

Cosmopolitan
5 диких способов использования животных на войне 5 диких способов использования животных на войне

Оказывается, животных можно не только есть, гладить и бояться

Maxim
Это моя добыча Это моя добыча

Сторонники «львиной диеты» уверены, что можно питаться одним лишь мясом

Tatler
Борьба за «пояс верности» не ускорила эволюцию бабочек Борьба за «пояс верности» не ускорила эволюцию бабочек

«Война полов» служит одним из факторов эволюции этих насекомых

N+1
Столкновение цивилизаций Столкновение цивилизаций

Классическое исследование международных отношений после Холодной войны

kiozk originals
Прожекторперисхилтон: история Пэрис Хилтон и феномен современной селебрити-культуры Прожекторперисхилтон: история Пэрис Хилтон и феномен современной селебрити-культуры

Как Пэрис Хилтон повлияла на современную культуру и культ потребления?

Esquire
Шелковый Путь Шелковый Путь

Дорога тканей, рабов, идей и религий

kiozk originals
Очаровательный кишечник Очаровательный кишечник

Как самый могущественный орган управляет нами

kiozk originals
Загадки письма Фиески Загадки письма Фиески

В 1327 году в замке Беркли внезапно скончался английский король Эдуард II

Дилетант
Сера: из отходов в материал будущего Сера: из отходов в материал будущего

В мире ежегодно производится почти 80 миллионов тонн серы

Наука и жизнь
Таинственные звезды и что они производят Таинственные звезды и что они производят

Элементы, которые появляются в результате смерти звезд

Популярная механика
Я вас любил Я вас любил

Разбираем феномен стремительного взлета музыкальной карьеры Jony

Glamour
Голубая мечта Голубая мечта

Вилла, где корсиканские виноградники видны из каждой комнаты

AD
10 фильмов, которые все путают с другими фильмами 10 фильмов, которые все путают с другими фильмами

Тот, где они еще парня искали…Там еще этот играл… Фильмы, которые все путают

Maxim
Создан полиэтиленовый «бронежилет» для радиолокаторов Создан полиэтиленовый «бронежилет» для радиолокаторов

Сибирские ученые модернизировали полиэтилен при помощи ультразвука

Популярная механика
Взломанная Взломанная

Насколько защищена "умная" кофемашина?

Популярная механика
Двадцать лет в аду. История трех сестер, сумевших выжить в доме матери-убийцы Двадцать лет в аду. История трех сестер, сумевших выжить в доме матери-убийцы

Сестры Кнотек жили в страхе почти 20 лет

Forbes
Мастер перевоплощений: такой разный Джуд Лоу Мастер перевоплощений: такой разный Джуд Лоу

От обаятельного вдовца до Папы Римского: Джуду Лоу подвластна любая роль

Cosmopolitan
Открыть в приложении