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

Яд в истории. Чем политические отравления отличаются от «простых» убийств Яд в истории. Чем политические отравления отличаются от «простых» убийств

Яды как оружие в борьбе с противниками — прием, известный с древних времен

СНОБ
Торт от стресса: почему ты заедаешь свои проблемы и как от этого избавиться Торт от стресса: почему ты заедаешь свои проблемы и как от этого избавиться

Что делать, если думаешь о еде как о способе снятия стресса

Cosmopolitan
Почему мы любим поговорить о бывших (особенно с нынешним) Почему мы любим поговорить о бывших (особенно с нынешним)

Признавайся, у тебя тоже бывает такое, что хочется рассказать о своем бывшем?

Cosmopolitan
Израильский Гуантанамо: тайная тюрьма, стертая со всех карт и аэрофотосъемок Израильский Гуантанамо: тайная тюрьма, стертая со всех карт и аэрофотосъемок

Секретная тюрьма «лагерь 1391» в Северном Израиле была обнаружена случайно

Maxim
«Отказываться от транспортного налога нельзя». Что будет с ценами на АЗС «Отказываться от транспортного налога нельзя». Что будет с ценами на АЗС

Что сегодня влияет на стоимость топлива и стоит ли ждать роста цен

РБК
Все наоборот: как работает метод парадоксального вмешательства Все наоборот: как работает метод парадоксального вмешательства

Порой психологи используют удивительные приемы в терапии

Psychologies
«Там точно будет новый президент»: как участники списка Forbes реагируют на события в Белоруссии «Там точно будет новый президент»: как участники списка Forbes реагируют на события в Белоруссии

Forbes поговорил с предпринимателями, у которых есть бизнес-интересы в Беларуси

Forbes
«Мам, я беременна»: как быть, если подросток поделился с вами тайной «Мам, я беременна»: как быть, если подросток поделился с вами тайной

Научиться спокойно реагировать на откровения и сформировать близкие отношения

Psychologies
Естественный отбор Естественный отбор

Матильда Шнурова о своих новых проектах

OK!
«Я просто очень быстрый человек» «Я просто очень быстрый человек»

Юлия Снигирь не любит откладывать на завтра то, что можно сделать прямо сейчас

OK!
Бабилонская вашня. Самые смешные и скандальные ляпы переводчиков Бабилонская вашня. Самые смешные и скандальные ляпы переводчиков

Словари сгорели бы со стыда, если б им кто-то рассказал про эти курьезы

Maxim
«По умолчанию человек — это мужчина»: почему из-за дискриминации женщины чаще умирают от инфаркта и гибнут в авариях «По умолчанию человек — это мужчина»: почему из-за дискриминации женщины чаще умирают от инфаркта и гибнут в авариях

Интервью с автором бестселлера «Невидимые женщины» Кэролайн Криадо Перес

Forbes
В работу с головой В работу с головой

Паттерны успеха от IT-специалиста

kiozk originals
Правила жизни Джонни Кэша Правила жизни Джонни Кэша

Правила жизни американского музыканта Джонни Кэша

Esquire
6 идеальных осенних фильмов от Алисы Таёжной 6 идеальных осенних фильмов от Алисы Таёжной

Какие фильмы обязательно стоит посмотреть уютной осенью

Cosmopolitan
Правила жизни Тома Харди Правила жизни Тома Харди

Правила жизни английского актера Тома Харди

Esquire
Слушай и трать: как музыка влияет на продажи и популярность бренда Слушай и трать: как музыка влияет на продажи и популярность бренда

Как умело подобранные плей-листы помогают клиентам расставаться с деньгами

РБК
Критические будни Критические будни

«Никогда. Редко. Иногда. Всегда» как хроника гендерного неравенства

Weekend
Лекарства вместо отравы: найден способ защитить растения от грибка Лекарства вместо отравы: найден способ защитить растения от грибка

Как защитить растения от грибка? Найден ответ

Популярная механика
Кризис в красной зоне Кризис в красной зоне

История о самой смертоносной вспышке Эболы

kiozk originals
Карьерное самоубийство: три главные ошибки гендиректоров, которые приводят к увольнению Карьерное самоубийство: три главные ошибки гендиректоров, которые приводят к увольнению

Как вести себя, чтобы продержаться в заветном кресле как можно дольше

Forbes
Таинственное убийство на ферме Хинтеркайфике: загадочное преступление в Германии Таинственное убийство на ферме Хинтеркайфике: загадочное преступление в Германии

Загадочное преступление, которое произошло 4 апреля 1922 года в Германии

Cosmopolitan
Хобби на черный день. Как продать самую дорогую в истории бейсбольную карточку за $3,9 млн Хобби на черный день. Как продать самую дорогую в истории бейсбольную карточку за $3,9 млн

Делец Дэйв Оанча зарабатывает миллионы на перепродаже редких карточек

Forbes
Культурный код Культурный код

Секреты чрезвычайно успешных групп и организаций

kiozk originals
На злобу дня На злобу дня

Как перестать плакать по пустякам и научиться справиться с паническими атаками

Vogue
Философские устройства Бенджамина Каудена Философские устройства Бенджамина Каудена

Бенджамин Кауден посвятил себя необычному искусству — кинетическому

Популярная механика
Считаете ли вы себя патриотом? Считаете ли вы себя патриотом?

Что такое правильный и неправильный патриотизм?

СНОБ
Новейший папа Новейший папа

Татьяна Алешичева о Джуде Лоу в этнопсиходелическом хоррор-сериале «Третий день»

Weekend
10 самых безумных приспособлений, которые можно купить 10 самых безумных приспособлений, которые можно купить

Эти гаджеты можно назвать полезными, но сложно назвать нормальными

Популярная механика
Нарушение обмена веществ: почему растет вес и портится кожа Нарушение обмена веществ: почему растет вес и портится кожа

Как понять, что с обменом веществ начались проблемы, и что делать потом?

Cosmopolitan
Открыть в приложении