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

Топлес: самые интересные научные факты о женской груди Топлес: самые интересные научные факты о женской груди

Она сводит с ума, кормит и даже спасает жизнь

Популярная механика
Как спаниэль спас карьеру будущего президента США Ричарда Никсона Как спаниэль спас карьеру будущего президента США Ричарда Никсона

«Речь про Чекерса» стала самым проникновенным обращением к нации в прямом эфире

Maxim
Спаривание под пение других самцов отвадило самок сверчков от поиска нового партнера Спаривание под пение других самцов отвадило самок сверчков от поиска нового партнера

Чем больше самцов, тем менее активно самки сверчков ищут новых партнеров

N+1
10 лучших детективов Агаты Кристи 10 лучших детективов Агаты Кристи

Романы, за которые мы так любим Агату Кристи

Maxim
Стоит ли соглашаться на повышение? Как принять сложное карьерное решение Стоит ли соглашаться на повышение? Как принять сложное карьерное решение

Как принять решение о повышении, если вы не уверены, что справитесь со стрессом

Forbes
Как укротить гнев и не срываться на близких Как укротить гнев и не срываться на близких

Как перестать срываться на самых близких

РБК
Четыре опасные секты мира Четыре опасные секты мира

Фраза «Религия — опиум для народа» не теряет актуальности

Maxim
Пуговицы Наполеона Пуговицы Наполеона

Семнадцать молекул, которые изменили мир

kiozk originals
Нехорошая кредитная история Нехорошая кредитная история

«Гнездо» Шона Дёркина — страшноватая утопия семейного счастья

Weekend
Эффект Люцифера Эффект Люцифера

Почему хорошие люди превращаются в злодеев

kiozk originals
«Голодная степь: Голод, насилие и создание Советского Казахстана» «Голодная степь: Голод, насилие и создание Советского Казахстана»

Что мешало казахам перейти к оседлой жизни?

N+1
Как заработать к 30 столько, чтобы жить в свое удовольствие? 5 советов от тех, кто это сделал Как заработать к 30 столько, чтобы жить в свое удовольствие? 5 советов от тех, кто это сделал

Чтобы заработать состояние к 30, грабить банк не придется

Playboy
Управляемый таракан, «сидячий» дрон и геккон со сменными ногами: что умеют роботы, которые копируют строение животных Управляемый таракан, «сидячий» дрон и геккон со сменными ногами: что умеют роботы, которые копируют строение животных

Как применяются природные структуры в робототехнике

VC.RU
Столкновение цивилизаций Столкновение цивилизаций

Классическое исследование международных отношений после Холодной войны

kiozk originals
«Я могу быть элитной нянечкой» «Я могу быть элитной нянечкой»

Гарик Харламов вдохновлен на новые актерские эксперименты

OK!
Лесная поликлиника Лесная поликлиника

Какими способами самолечения пользуются животные?

Вокруг света
10 самых крутых археологических находок Севера 10 самых крутых археологических находок Севера

Мечи викингов, загадочные следы, лабиринт и корабль — что скрывает Север?

Популярная механика
О какой стране чаще всего писали в «Нью-Йорк таймс» за последние сто лет (любопытная инфографика) О какой стране чаще всего писали в «Нью-Йорк таймс» за последние сто лет (любопытная инфографика)

Чем был занят ум сферического американца в вакууме с начала XX века по наши дни?

Maxim
Между жизнью и смертью: 10 фактов о подушке безопасности Между жизнью и смертью: 10 фактов о подушке безопасности

Подушки безопасности: разбираемся в теории, практике и статистике

Популярная механика
Погода – это мы Погода – это мы

Спасение планеты начинается за завтраком

kiozk originals
Как важно уметь говорить «нет» и делать это правильно Как важно уметь говорить «нет» и делать это правильно

Умение сказать «нет» много значит для психического здоровья и уверенности в себе

Psychologies
Бойбэнд Бойбэнд

Феномен кулачных боев – одного из главных трендов российского YouTube этого года

Esquire
Иван Сорокин: Смена правил игры, или Почему высшее образование не гарантирует успех Иван Сорокин: Смена правил игры, или Почему высшее образование не гарантирует успех

Как изменились представления об успехе и почему стремиться нужно к счастью

СНОБ
Эльф из Санкт-Петербурга Эльф из Санкт-Петербурга

Как Роман Любимцев из Санкт-Петербурга перевернул мир кайтбординга

Популярная механика
Самое сухое место на Земле — песчаные дюны Антарктиды Самое сухое место на Земле — песчаные дюны Антарктиды

Сухие долины — место, где вот уже два миллиона лет не было никаких осадков

Maxim
Чувство жажды Чувство жажды

Разбираемся в причинах обезвоженности кожи

Лиза
Интервью с вампиром Интервью с вампиром

Почему даже три минуты беседы с ним для нас так мучительны?

Psychologies
Не работайте с мудаками Не работайте с мудаками

Что делать, если мудаки вокруг вас?

kiozk originals
Спорт для тех, кто не хочет худеть Спорт для тех, кто не хочет худеть

Топ спортивных активностей для полных людей

Psychologies
С чистого холста С чистого холста

Интерьер для художницы, где может жить искусство

AD
Открыть в приложении