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

Вакцинация: как работают прививки и почему их надо делать Вакцинация: как работают прививки и почему их надо делать

Прививки — большое зло или наше спасение?

Популярная механика
Пять самых популярных игровых мифов Пять самых популярных игровых мифов

Пять самых популярных игровых мифов, в которые верили геймеры разных поколений

Популярная механика
Наблюдаемое количество гравитационных линз на порядок превысило прогноз симуляций Наблюдаемое количество гравитационных линз на порядок превысило прогноз симуляций

Общепринятые представления о свойствах темной материи отныне под сомнением

N+1
Как читать книги Как читать книги

Руководство по чтению великих произведений

kiozk originals
6 самых сложных компьютерных игр 6 самых сложных компьютерных игр

Cколько джойстиков, мониторов и мышек было разбито во время прохождения этих игр

Maxim
Дети, посуда и розетки. Как сексизм пронизывает нашу повседневность и почему старые нормы неизбежно отмирают Дети, посуда и розетки. Как сексизм пронизывает нашу повседневность и почему старые нормы неизбежно отмирают

Отрывок из книги о новой этике «Так вышло. 29 вопросов новой этики и морали»

Forbes
Почему все больше знаменитостей занимаются производством вина (и почему это вино, как правило, плохое) Почему все больше знаменитостей занимаются производством вина (и почему это вино, как правило, плохое)

Почему голливудские звезды, выпускающие вино, на самом деле убивают малый бизнес

Esquire
Оксана Карас: «Мне только ленивый не позвонил перед съемками и не сказал:«Оксана, беги!» Оксана Карас: «Мне только ленивый не позвонил перед съемками и не сказал:«Оксана, беги!»

Оксана Карас, режиссер: мы все чокнутые, постоянно говорим про кино

Grazia
7 аргументов в пользу детских аудиокниг 7 аргументов в пользу детских аудиокниг

Насколько полезны или вредны аудиокниги для развивающейся детской психики

Psychologies
10 необычных Lincoln 10 необычных Lincoln

За более чем 100-летнюю историю марки имя Lincoln носили очень интересные машины

Популярная механика
Избыточные иллюстрации помешали детям понять прочитанное Избыточные иллюстрации помешали детям понять прочитанное

Если картинок слишком много, то эффективность обучения чтения под вопросом

N+1
Эксперимент ЦРУ помог исследователям раскрыть секрет успешных команд Эксперимент ЦРУ помог исследователям раскрыть секрет успешных команд

Почему одни команды справляются с задачами лучше других?

Inc.
Легкий способ похудеть: как сесть на диету и даже не заметить этого Легкий способ похудеть: как сесть на диету и даже не заметить этого

Как правильно и без стресса похудеть?

Cosmopolitan
Симптомы будущей жены Симптомы будущей жены

Какими качествами должна обладать твоя будущая жена?

Maxim
Таможня отбирает добро: 12 провалов контрабандистов Таможня отбирает добро: 12 провалов контрабандистов

Опытный таможенник даже тюбик зубной пасты открывает с большой осторожностью

Maxim

Что чувствуют актеры во время любовных сцен?

Cosmopolitan
Джон Леннон Джон Леннон

Правила жизни музыканта Джона Леннона

Esquire
Правила жизни Джереми Айронса Правила жизни Джереми Айронса

Правила жизни ирландского актера Джереми Айронса

Esquire
Пушкинская речь Пушкинская речь

Идейные антагонисты — Иван Тургенев и Фёдор Достоевский

Дилетант
Самоубийство дочери и зависть к Аджани: вся правда о Джейн Биркин в ее дневнике Самоубийство дочери и зависть к Аджани: вся правда о Джейн Биркин в ее дневнике

В дневниках Джейн не играет и не пытается быть лучше, чем она есть

Cosmopolitan
10 актеров, по глупости отказавшихся от культовых ролей 10 актеров, по глупости отказавшихся от культовых ролей

О чем жалеют Том Хэнкс, Уилл Смит и Шон Коннери

Maxim
Сын Виктора Цоя Александр — о скандале вокруг фильма Алексея Учителя Сын Виктора Цоя Александр — о скандале вокруг фильма Алексея Учителя

Интервью с Александром Цоем — о детстве, славе отца и фильме Алексея Учителя

РБК
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
Живопись «излечила» наши токсичные отношения Живопись «излечила» наши токсичные отношения

Арт-терапия помогла наладить отношения в семье

Psychologies
Rework Rework

Бизнес без предрассудков

kiozk originals
Доставляя счастье Доставляя счастье

От нуля до миллиарда: история создания выдающейся компании из первых рук

kiozk originals
Геном Геном

Автобиография вида в двадцати трех главах

kiozk originals
Последний из динозавров Последний из динозавров

Суперкары Lamborghini Huracan Evo должны жить на идеальных гоночных трассах

Популярная механика
Машина времени Машина времени

Дев Патель убедил GRAZIA, что наверняка встречался с Диккенсом в прошлой жизни

Grazia
Почему в XIX веке фермеры заказывали парадные портреты своих толстых коров, свиней и овец Почему в XIX веке фермеры заказывали парадные портреты своих толстых коров, свиней и овец

Толстый скот хорош во все времена. Портреты с ним — удовольствие не из дешевых

Maxim
Открыть в приложении