Je, nishati ya nyuklia ina siku zijazo?

2024 Mwandishi: Seth Attwood | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2023-12-16 16:17

Kwa zaidi ya nusu karne, wanasayansi wamekuwa wakijaribu kujenga mashine duniani, ambayo, kama kwenye matumbo ya nyota, mmenyuko wa thermonuclear hufanyika. Teknolojia ya muunganisho wa nyuklia unaodhibitiwa huahidi kwa wanadamu chanzo kisicho na mwisho cha nishati safi. Wanasayansi wa Soviet walikuwa katika asili ya teknolojia hii - na sasa Urusi inasaidia kujenga kinu kikubwa zaidi cha fusion ulimwenguni.

Sehemu za kiini cha atomi hushikwa pamoja kwa nguvu kubwa sana. Kuna njia mbili za kuifungua. Njia ya kwanza ni kutumia nishati ya mtengano wa viini vizito kutoka mwisho wa mwisho wa jedwali la upimaji: urani, plutonium. Katika mitambo yote ya nyuklia Duniani, chanzo cha nishati ni kuoza kwa nuclei nzito.

Lakini pia kuna njia ya pili ya kutolewa nishati ya atomi: si kugawanya, lakini, kinyume chake, kuchanganya viini. Wakati wa kuunganisha, baadhi yao hutoa nishati zaidi kuliko nuclei za uranium zilizovunjika. Nucleus nyepesi, nishati zaidi itatolewa wakati wa fusion (kama wanasema, fusion), hivyo njia bora zaidi ya kupata nishati ya fusion ya nyuklia ni kulazimisha nuclei ya kipengele nyepesi - hidrojeni - na isotopu zake kuunganishwa..

Nyota ya mkono: faida thabiti

Mchanganyiko wa nyuklia uligunduliwa katika miaka ya 1930 kwa kusoma michakato inayofanyika katika mambo ya ndani ya nyota. Ilibadilika kuwa athari za fusion ya nyuklia hufanyika ndani ya kila jua, na mwanga na joto ni bidhaa zake. Mara tu hii ilipodhihirika, wanasayansi walifikiria jinsi ya kurudia kile kinachotokea kwenye matumbo ya Jua Duniani. Ikilinganishwa na vyanzo vyote vya nishati vinavyojulikana, "jua la mkono" lina faida kadhaa zisizoweza kuepukika.

Kwanza, hidrojeni ya kawaida hutumika kama mafuta yake, akiba ambayo Duniani itadumu kwa maelfu ya miaka. Hata kwa kuzingatia ukweli kwamba mmenyuko hauhitaji isotopu ya kawaida, deuterium, glasi ya maji ni ya kutosha kusambaza mji mdogo na umeme kwa wiki. Pili, tofauti na mwako wa hidrokaboni, mmenyuko wa fusion ya nyuklia hautoi bidhaa za sumu - tu heliamu ya gesi isiyo na upande.

Faida za nishati ya fusion

Karibu ugavi wa mafuta usio na kikomo. Katika reactor ya fusion, isotopu za hidrojeni - deuterium na tritium - hufanya kazi kama mafuta; unaweza pia kutumia isotopu heliamu-3. Kuna deuterium nyingi katika maji ya bahari - inaweza kupatikana kwa electrolysis ya kawaida, na hifadhi yake katika Bahari ya Dunia itadumu kwa karibu miaka milioni 300 kwa mahitaji ya sasa ya wanadamu kwa nishati.

Kuna tritium kidogo sana katika asili, inazalishwa kwa njia ya bandia katika vinu vya nyuklia - lakini ni kidogo sana inahitajika kwa mmenyuko wa thermonuclear. Karibu hakuna heliamu-3 duniani, lakini kuna mengi katika udongo wa mwezi. Iwapo siku moja tutakuwa na nguvu za nyuklia, pengine itawezekana kuruka hadi mwezini kutafuta kuni kwa ajili yake.

Hakuna milipuko. Inachukua nishati nyingi kuunda na kudumisha athari ya nyuklia. Mara tu usambazaji wa nishati unaposimama, majibu huacha, na plasma yenye joto hadi mamia ya mamilioni ya digrii hukoma kuwepo. Kwa hiyo, reactor ya fusion ni vigumu zaidi kuwasha kuliko kuzima.

Mionzi ya chini. Mmenyuko wa thermonuclear hutoa mtiririko wa neutroni ambazo hutolewa kutoka kwa mtego wa sumaku na kuwekwa kwenye kuta za chumba cha utupu, na kuifanya kuwa na mionzi. Kwa kuunda "blanketi" maalum (blanketi) karibu na mzunguko wa plasma, kupunguza kasi ya neutroni, inawezekana kulinda kabisa nafasi karibu na reactor. Blanketi yenyewe bila shaka inakuwa ya mionzi kwa muda, lakini si kwa muda mrefu. Kuiruhusu kupumzika kwa miaka 20-30, unaweza tena kupata nyenzo na mionzi ya asili ya asili.

Hakuna uvujaji wa mafuta. Kuna daima hatari ya kuvuja kwa mafuta, lakini reactor ya fusion inahitaji mafuta kidogo kwamba hata uvujaji kamili hautishi mazingira. Kuzindua ITER, kwa mfano, kutahitaji takriban kilo 3 za tritium na deuterium zaidi kidogo. Hata katika hali mbaya zaidi, kiasi hiki cha isotopu za mionzi kitatoka haraka ndani ya maji na hewa na kusababisha hakuna madhara kwa mtu yeyote.

Hakuna silaha. Kinu cha nyuklia hakizalishi vitu vinavyoweza kutumika kutengeneza silaha za atomiki. Kwa hiyo, hakuna hatari kwamba kuenea kwa nishati ya nyuklia itasababisha mbio za nyuklia.

Jinsi ya kuangaza "jua bandia", kwa ujumla, ikawa wazi tayari katika miaka ya hamsini ya karne iliyopita. Katika pande zote mbili za bahari, mahesabu yalifanywa ambayo yaliweka vigezo kuu vya mmenyuko wa muunganisho wa nyuklia unaodhibitiwa. Inapaswa kufanyika kwa joto kubwa la mamia ya mamilioni ya digrii: chini ya hali kama hizo, elektroni hutolewa kutoka kwa viini vyao. Kwa hiyo, mmenyuko huu pia huitwa fusion ya thermonuclear. Viini vilivyo wazi, vinavyogongana kwa kasi kubwa, hushinda msukumo wa Coulomb na kuunganisha.

Matatizo na ufumbuzi

Shauku ya miongo ya kwanza ilianguka katika utata wa ajabu wa kazi hiyo. Kuzindua mchanganyiko wa nyuklia iligeuka kuwa rahisi - ikiwa imefanywa kwa njia ya mlipuko. Visiwa vya Pasifiki na maeneo ya majaribio ya Soviet huko Semipalatinsk na Novaya Zemlya yalipata nguvu kamili ya athari ya nyuklia katika muongo wa kwanza wa vita baada ya vita.

Lakini kutumia nguvu hii, isipokuwa kwa uharibifu, ni ngumu zaidi kuliko kulipua malipo ya nyuklia. Ili kutumia nishati ya nyuklia kuzalisha umeme, mmenyuko lazima ufanyike kwa njia iliyodhibitiwa ili nishati itolewe kwa sehemu ndogo.

Jinsi ya kufanya hivyo? Mazingira ambayo mmenyuko wa thermonuclear hufanyika huitwa plasma. Ni sawa na gesi, tu tofauti na gesi ya kawaida ina chembe za kushtakiwa. Na tabia ya chembe za kushtakiwa inaweza kudhibitiwa kwa kutumia mashamba ya umeme na magnetic.

Kwa hiyo, katika hali yake ya jumla, reactor ya thermonuclear ni clot ya plasma iliyofungwa katika conductors na sumaku. Wanazuia plasma kutoroka, na wakati wanafanya hivi, viini vya atomiki huungana ndani ya plasma, kama matokeo ya ambayo nishati hutolewa. Nishati hii lazima iondolewe kutoka kwa kinu, itumike kuwasha baridi - na umeme lazima upatikane.

Mitego na uvujaji

Plasma iligeuka kuwa dutu isiyo na maana zaidi ambayo watu Duniani walipaswa kukabiliana nayo. Kila wakati wanasayansi walipata njia ya kuzuia aina moja ya uvujaji wa plasma, mpya iligunduliwa. Nusu nzima ya pili ya karne ya 20 ilitumika katika kujifunza kuweka plasma ndani ya kinu kwa muda wowote muhimu. Tatizo hili lilianza kutoa tu katika siku zetu, wakati kompyuta zenye nguvu zilionekana ambazo zilifanya iwezekanavyo kuunda mifano ya hisabati ya tabia ya plasma.

Bado hakuna makubaliano kuhusu ni njia gani ni bora kwa kufungwa kwa plasma. Mfano maarufu zaidi, tokamak, ni chumba cha utupu chenye umbo la donati (kama wanahisabati wanasema, torasi) na mitego ya plasma ndani na nje. Usanidi huu utakuwa na usakinishaji mkubwa zaidi na wa gharama kubwa zaidi wa kinuklia duniani - kinu cha ITER kinachoendelea kujengwa kusini mwa Ufaransa.

Mbali na tokamak, kuna usanidi mwingi unaowezekana wa vinu vya nyuklia: spherical, kama ilivyo kwa St. mitego isiyo na maana, kama vile NIF ya Marekani. Wanapokea usikivu mdogo wa media kuliko ITER, lakini pia wana matarajio makubwa.

Kuna wanasayansi ambao wanaona muundo wa nyota kuwa na mafanikio zaidi kuliko tokamak: ni rahisi kujenga, na wakati wa kufungwa kwa plasma huahidi kutoa mengi zaidi. Faida ya nishati hutolewa na jiometri ya mtego wa plasma yenyewe, ambayo inaruhusu mtu kuondokana na athari za vimelea na uvujaji wa asili katika "donut". Toleo la pumped la laser pia lina faida zake.

Mafuta ya hidrojeni ndani yao huwashwa kwa joto linalohitajika na mishipa ya laser, na mmenyuko wa fusion huanza karibu mara moja. Plasma katika mitambo hiyo inashikiliwa na inertia na haina muda wa kueneza - kila kitu hutokea haraka sana.

Dunia nzima

Reactor zote za nyuklia zilizopo ulimwenguni leo ni mashine za majaribio. Hakuna hata mmoja wao hutumika kuzalisha umeme. Bado hakuna iliyofaulu kutimiza kigezo kikuu cha mmenyuko wa nyuklia (kigezo cha Lawson): kupata nishati zaidi ya iliyotumika kuunda majibu. Kwa hivyo, jumuiya ya ulimwengu imezingatia mradi mkubwa wa ITER. Ikiwa kigezo cha Lawson kitafikiwa katika ITER, itawezekana kuboresha teknolojia na kujaribu kuihamisha kwenye reli za kibiashara.

Hakuna nchi duniani ingeweza kujenga ITER peke yake. Inahitaji kilomita elfu 100 za waya za superconducting peke yake, na pia sumaku kadhaa za superconducting na solenoid kubwa ya kati ya kushikilia plasma, mfumo wa kuunda utupu wa juu kwenye pete, baridi za heliamu kwa sumaku, vidhibiti, vifaa vya elektroniki … mradi unajenga nchi 35 na zaidi mara moja maelfu ya taasisi na viwanda vya kisayansi.

Urusi ni moja ya nchi kuu zinazoshiriki katika mradi huo; nchini Urusi mifumo 25 ya kiteknolojia ya reactor ya baadaye inaundwa na kujengwa. Hizi ni superconductors, mifumo ya kupima vigezo vya plasma, watawala wa moja kwa moja na vipengele vya divertor, sehemu ya moto zaidi ya ukuta wa ndani wa tokamak.

Baada ya uzinduzi wa ITER, wanasayansi wa Kirusi watapata data yake yote ya majaribio. Hata hivyo, echo ya ITER haitaonekana tu katika sayansi: sasa katika baadhi ya mikoa kuna vifaa vya uzalishaji vilivyoonekana, ambavyo nchini Urusi havikuwepo hapo awali. Kwa mfano, kabla ya kuanza kwa mradi huo, hapakuwa na uzalishaji wa viwanda wa vifaa vya superconducting katika nchi yetu, na tani 15 tu kwa mwaka zilizalishwa duniani kote. Sasa, tu katika Kiwanda cha Mitambo cha Chepetsk cha shirika la serikali "Rosatom" inawezekana kuzalisha tani 60 kwa mwaka.

Mustakabali wa nishati na zaidi

Plasma ya kwanza katika ITER imepangwa kupokelewa mnamo 2025. Dunia nzima inasubiri tukio hili. Lakini moja, hata yenye nguvu zaidi, mashine sio yote. Kote ulimwenguni na nchini Urusi, wanaendelea kujenga mitambo mpya ya nyuklia, ambayo itasaidia hatimaye kuelewa tabia ya plasma na kutafuta njia bora ya kuitumia.

Tayari mwishoni mwa 2020, Taasisi ya Kurchatov itazindua tokamak mpya T-15MD, ambayo itakuwa sehemu ya usakinishaji wa mseto na vitu vya nyuklia na nyuklia. Neutroni, ambazo zinaundwa katika eneo la mmenyuko wa thermonuclear, katika ufungaji wa mseto zitatumika kuanzisha mgawanyiko wa nuclei nzito - uranium na thorium. Katika siku zijazo, mashine hizo za mseto zinaweza kutumika kuzalisha mafuta kwa vinu vya kawaida vya nyuklia - neutroni za joto na za haraka.

Wokovu wa Thoriamu

Kinachovutia zaidi ni matarajio ya kutumia "nucleus" ya thermonuclear kama chanzo cha neutroni kuanzisha kuoza katika nuclei ya thoriamu. Kuna waturiamu zaidi kwenye sayari kuliko uranium, na matumizi yake kama mafuta ya nyuklia hutatua matatizo kadhaa ya nguvu za kisasa za nyuklia mara moja.

Kwa hivyo, bidhaa za kuoza za waturiamu haziwezi kutumika kutengeneza vifaa vya mionzi ya kijeshi. Uwezekano wa matumizi hayo hutumika kama sababu ya kisiasa ambayo inazuia nchi ndogo kuendeleza nishati yao ya nyuklia. Mafuta ya Thoriamu hutatua tatizo hili mara moja na kwa wote.

Mitego ya plasma inaweza kuwa na manufaa si tu katika nishati, lakini pia katika viwanda vingine vya amani - hata katika nafasi. Sasa Rosatom na Taasisi ya Kurchatov wanafanyia kazi vipengele vya injini ya roketi ya plasma isiyo na umeme kwa vyombo vya anga na mifumo ya urekebishaji wa plasma ya vifaa. Ushiriki wa Urusi katika mradi wa ITER huchochea tasnia, ambayo inasababisha kuundwa kwa viwanda vipya, ambavyo tayari vinaunda msingi wa maendeleo mapya ya Kirusi.