Стив Каули е един от водещите световни авторитети в ядрен синтез. Имах възможността да се срещна с него преди много години, в Мадрид, по време на една от конференциите, които той провежда по цялата планета, за да разпространя до каква степен тази технология може да допринесе за решаването на нуждите на човека от енергия.

технологията

Посланието му се задълбочава. Невъзможно е да го слушате, без да сте заразени от ентусиазма му и най-вече без да сте привлечени дълбоко от ядрения синтез, на който той е силен защитник. И според този британски физик-теоретик, тази технология е единствената, която може решаване на енергийната криза в която вече сме потопени и която ще продължи да расте през следващите десетилетия. Нейното или неговото обещание? Чиста, безопасна и практически неограничена енергия. Но за да стане възможно, все още има многобройни предизвикателства, които трябва да бъдат разрешени.

Не всичко ядрено е същото

Преди да видим как работи ядреният синтез в някакви подробности, струва си да спрем, за да видим как те си приличат. ядрен синтез и делене, а също и как се различават. Общото между тях е нещо очевидно: и двете са ядрени реакции, чиято цел е да освободят енергията, съдържаща се в ядрото на атома.

И в двата случая енергията се освобождава под формата на топлина и в рамките на атомните електроцентрали тя се прехвърля във водата, съдържаща се в огромен резервоар, за да генерира водна пара с висока температура, която веднага ще бъде използвана за задвижване на набор от турбини, чието движение ще генерира електрическа енергия които ще използваме по-късно.

Ако разгледаме този процес, можем да видим, че той ясно изпълнява Принцип на запазване на енергията за които всички сме чували, поне когато сме учили, и че знаем благодарение на работата на учени като Талес от Милет, Галилей, Лайбниц или Нютон, между другото. Този закон казва, че енергията нито се създава, нито се унищожава, а просто се трансформира от една форма на енергия в друга. Важна последица от този принцип е, че общата енергия на системата остава постоянна, така че е еднаква преди и след всяка трансформация.

Ако се върнем към това, което наистина има значение за нас, към нашата атомна електроцентрала, можем да видим, че енергията, съдържаща се в ядрото на атома, се освобождава под формата на топлина (така получаваме Термална енергия), независимо дали прибягваме до процедурата на делене или ядрен синтез. Именно това е функцията на ядрения реактор: да трансформира ядрената енергия, съдържаща се в атомите, в топлинна енергия.

Веднага след тази последна форма на енергия причинява изпаряване на част от водата в резервоара, появяваща се пара при високо налягане и следователно надарена с Кинетична енергия, който е притежаван от тела поради тяхното движение. Кинетичната енергия на движещата се водна пара се трансформира в механична енергия чрез превръщане на турбините на атомната електроцентрала и накрая тя отново се трансформира, този път в електроенергия, благодарение на работата на генератор, който е отговорен за производството на електричество, което достига до домовете ни, наред с други места.

Две различни стратегии

Както току-що видяхме, непосредствената функция както на реактор, който използва ядрено делене, така и на реактор за ядрен синтез е абсолютно еднаква: да произвежда водна пара при висока температура, в края на процеса и чрез трансформациите, които току-що видяхме ., генерират електрическа енергия.

Любопитното е, че основният принцип на работа на електроцентралите, които използват нефт, въглища или газ като гориво, е абсолютно един и същ: загряване на водата в резервоар за производство на пара и захранване на турбина.

Всички търговски ядрени реактори, които използваме днес, използват делене, а не ядрен синтез.

Тук приключват приликите между делене и ядрен синтез. Атомните електроцентрали, които използваме в момента прибягват до ядрен делене, а не сливането. Без изключение. И това е така, въпреки че експерименталните реактори вече ни показаха, че ядреният синтез работи, това е толкова сложен процес, че, както ще видим по-късно, физиците и инженерите все още не са намерили начин реакцията на синтез да се държи стабилно дълго време.

Това предполага, че синтезът не може да се поддържа за много дълъг период от време с положителен енергиен баланс (в резултат на процеса се получава повече енергия, отколкото е необходимо да се инвестира за неговото стартиране) и напълно контролиран начин.

И това е, че ако целта на ядреното делене е да се получи енергия, "разделяща" ядрото на атома, тази на ядрения синтез трябва да го направи съединяване на две леки ядра за да се образува по-тежък. И към днешна дата ние знаем с много по-голяма точност как да извършваме делене по контролиран начин.

Ядрено делене, в детайли

Както видяхме няколко реда по-горе, този процес, който в момента се използва в атомните електроцентрали, се състои от разбиват ядрото на атом в две или повече ядра, за да освободи част от енергията, която съдържа. Но не можем да фрагментираме ядрото на който и да е атом. На теория може да се направи, но на практика интересното е да се използва атом, който е относително „лесен и евтин“ за разбиване. А този за уран 235 е.

Уранът е химичен елемент, който можем да открием в природата много ниски концентрации, обикновено върху скали, почва и вода. Следователно производството му е скъпо, а обработката му е сложна, тъй като изисква извършване на химични процеси, способни да го отделят от останалите елементи и примеси, с които обикновено живее. Той има 92 протона и също толкова електрони, които обикалят около ядрото, като последното включва, освен протоните, между 142 и 146 неутрона.

Важно е да запомните, че ядрото на атома обикновено се състои от определен брой протони и неутрони (макар и не винаги: протиумът, най-разпространеният водороден изотоп, има само един протон и в ядрото си няма неутрони), както и както от електрони, които обикалят около него. Фактът, че броят на неутроните в уранното ядро ​​може да варира, както току-що видяхме, ни казва това има няколко изотопа на този химичен елемент, които не са нищо друго освен атоми с еднакъв брой протони и електрони, но различен брой неутрони.

Причината, поради която атом на уран 235 се използва в реакторите за ядрено делене, а не друг изотоп на този елемент или друг химичен елемент, е, че когато ядрото му се бомбардира с неутрон (процес, известен като индуцирано делене) уран 235 се трансформира в уран 236, който е нестабилен елемент. Това просто означава, че уранът 236 не може да остане дълго в сегашното си състояние, така че той се разделя на две ядра, едното от барий 144, а другото от криптон 89, а също така излъчва два или три неутрона.

И тук е наистина интересното: сумата от масите на ядрата на барий 144 и криптон 89 е малко по-малка от тази на ядрото на уран 236, от който те идват (около 0,1% от първоначалната маса „изчезва“). Къде е изчезнала липсващата маса? Има само един отговор: е трансформиран в енергия. Формулата E = mc 2, вероятно най-популярната в историята на физиката, свързва масата и енергията и това, което казва, е просто, че определено количество маса се равнява на определено количество енергия, въпреки че масата е в покой.

Всъщност еквивалентността между маса и енергия, предложена от Алберт Айнщайн през 1905 г. (както виждате, преди повече от век), ни казва още нещо много важно. C във формулата представлява скоростта на светлината във вакуум, която, както всички предполагаме, е много голям брой (приблизително 3 x 10 8 m/s). В допълнение, той е на квадрат, което означава, че дори много, много малка маса, като частта от ядрото на атома, дори ако той е в покой, съдържа количество много голяма енергия. Това е, което ние знаем като енергия за почивка.

Ако масата е в движение, нейната обща енергия е по-голяма от енергията на покой. И ако наблюдаваме еквивалентността между маса и енергия, лесно е да осъзнаем, че масата на тялото в движение също е по-голяма от масата му в покой, явление, което ни въвежда изцяло в релативистката физика и с което ще се справим по-подробно в друга публикация. Във всеки случай енергията, която получаваме при сливане или делене на атомни ядра, идва от силата, която ги държи заедно: силна ядрена.

Разбирането с известна точност на връзката между масата и енергията е важно, защото ни помага да разберем как е възможно маса, толкова малка, колкото тази на атома, да ни позволи да получим толкова голямо количество енергия. Във всеки случай процесът на ядрено делене не свършва тук. И това е, че всеки от неутроните, които сме получили в резултат на разлагането на ядрото на уран 236 в ядрата на барий 144 и криптон 89, може да взаимодейства с други делящи се ядра, причинявайки верижна реакция.

Въпреки това, не всички неутрони, излъчени по време на разлагането на ядрото на урана 236, ще взаимодействат с ядрото, което се дели. Но не е необходимо. Достатъчно е, че само един от тези неутрони го прави, за да получим стабилен брой разцепвания и следователно, контролирана реакция, каква е целта на реакторите на атомната електроцентрала.

Естественият синтез в звездите

Нашите учени и инженери често са вдъхновени от механизмите на природата, за да предлагат решения на човешките нужди. Точно това има за цел ядреният синтез. Всъщност реакторът за ядрен синтез имитира явленията, които се случват в ядрото на звездите. По тази причина си струва да спрете за момент, за да научите как се раждат звездите и какво се случва вътре в тях.

Звездите се раждат от облаци прах и газ, разпръснати из Вселената и те започват да натрупват маса благодарение на гравитационно свиване (силата на гравитацията събира и уплътнява всички тези елементи). Около 70% от масата му е водород (всъщност това е протий, изотопът на водорода, за който говорихме за няколко параграфа по-горе и който има ядро ​​с единичен протон и електрон в своята орбита), между 24 и 26% е хелий, а останалите 4-6% са комбинация от химикали, по-тежки от хелия.

Еволюцията на звездата се определя от първоначалната й маса и химичния състав, така че малкият процент химически елементи, по-тежки от хелия, е от решаващо значение в живота на всяка от звездите, както и всякакви промени, които се случват около нея. % водород. Колкото по-масивна е една звезда, по-бързо изчерпва своя енергиен източник, така че всеки от тях има уникално и различно поведение от останалите.

В момента има компютърни инструменти, които позволяват на физиците да се възпроизвеждат как се развиват звездите от момента на настъпване на гравитационния колапс до крайните фази от неговия живот. Но най-любопитното е, че тези сложни изчислителни изчисления се извършват само от четири диференциални уравнения, в които поради тяхната сложност няма да се задълбочаваме, но които си струва да се споменат, така че поне да звучат познато на малко на всеки, в случай че някой от вас иска да научи повече в този раздел.

Първият е уравнение на масата, което приема, че в центъра на звездата масата е нула и в нейната атмосфера имаме общата маса. Вторият е уравнение на хидростатичното равновесие, което разкрива как гравитацията на звездата противодейства на газовото и радиационното налягане, за да поддържа звездата в баланс. Третото е уравнение за производство на енергия, който анализира как звездата получава енергия от реакциите на синтез, които се провеждат вътре в нея, а също и от гравитационното свиване, за което говорихме преди. И накрая, уравнение на енергийния транспорт, който изучава начина, по който енергията се транспортира от ядрото на звездата навън.

Във всеки случай, това, което наистина ни е интересно да знаем, е, че тъй като гравитационното свиване, за което говорихме по-рано, събира елементите на първоначалния облак от прах и газ, тази "бебешка звезда" се загрява и нейното налягане се увеличава . И продължава така, докато дойде момент, когато температурата и налягането са достатъчно високи, за да запалването на «ядрената пещ», което не е нищо друго освен естественото сливане на водородните ядра с образуване на хелий.

Звездите се раждат от облаци прах и газ и натрупват маса чрез гравитационно свиване.

Водородните ядра, подложени на много високо налягане и температура, се сблъскват поради високата си кинетична енергия при толкова високи скорости, че са способни да преодолеят естественото си електрическо отблъскване (техният заряд е положителен, така че те се отблъскват) и, следователно, те са достатъчно близо, така че силната ядрена сила, която държи частиците от ядрото на атомите заедно, е способна да противодействат на това отвращение и сливането се извършва.

Както видяхме, обединението на два водородни атома генерира един от хелий и се отделя голямо количество енергия, което отговаря на същия принцип, за който говорихме, когато видяхме от какво се състои еквивалентността между маса и енергия. Но със сигурност ще се съгласите с мен, че най-удивителното от всичко е, че процесът на сливане на два водородни атома за получаване на един от хелий, който е най-простият от този тип кванти, който се провежда в природата, е първата тухлена сграда всички химични елементи които можем да намерим във Вселената.

Това просто означава, че въглеродът, от който сме направени, отчасти е направен в ядрата на звездите. Това не е поетичен лиценз. Ние буквално сме направени от звезден прах. И кислород, олово, магнезий, натрий, злато ... Всички химични елементи, които съставляват не само нас, но и всичко, което ни заобикаля, са произведени в звездното ядро благодарение на реакциите на синтез и се разпространяват из Вселената от свръхнови, които се случват в последните етапи от живота на звездите.

Имитирайки силата на звездите

Както очаквах няколко параграфа по-горе, физиците и инженерите, които участват в проектирането и изграждането на експериментални реактори за ядрен синтез, се опитват да имитират това, което се случва в звездите с цел получавате големи количества енергия. Но има нещо, което трябва да вземем предвид: в момента не можем да генерираме гравитационно налягане толкова високо, колкото това, което се случва вътре в звездите естествено, чрез гравитационно ограничение, така че е необходимо да се прибегне до елементите, които са по-лесни за сливане, а също така трябва да бъдат подложени на температури до двеста милиона градуса по Целзий.

Тази температура е десет пъти по-висока, дори от този, който можем да намерим в центъра на нашето Слънце, което ни позволява да интуитираме огромната сложност на ядрения синтез, който извършваме на Земята. От друга страна, сега учените са успели да слеят две ядра от деутерий и тритий, които са изотопи на водорода, които освен своя протон и електрон, както видяхме преди, имат и неутрон в ядрото си първи, и два неутрона секундата.

Защо използваме деутерий и тритий, а не протиум, както правят звездите? Всички те са изотопи на водорода, но е по-лесно да се пресъздадат условията, необходими за сливането на ядрата на деутерий и тритий, отколкото да се постигне сливането на ядрата на протиума. Освен това деутерият е стабилен изотоп много изобилен в природата. Всъщност можем да намерим един деутериев атом във вода на всеки 6500 водородни атома, което изобщо не е лошо. Или 34 грама деутерий на всеки кубичен метър морска вода.

Деутерий и литий, елементите, от които се нуждаем, за да направим възможно ядрения синтез, са много в изобилие

Тритийът, от друга страна, е най-малкото деликатен. По природа е много по-рядък от деутерия и освен това е нестабилен, което означава, че е радиоактивен и бързо се разпада. Но за щастие можем да го получим чрез сливане на неутрон с ядрото на един от изотопите на лития, който, подобно на деутерия, е химичен елемент много изобилен в природата (особено в морска вода).

Най-интересното за ядрения синтез, който понастоящем извършваме в нашите експериментални реактори, е, че от сливането на ядрата на деутерия и трития получаваме хелиево ядро ​​и неутрон. По-точно, последният е неутронът, който, след като се слее с изотоп на литий, ни позволява да получим ядро ​​от тритий, последният елемент, който можем да използваме повторно за рестартиране на процеса на ядрен синтез.

Любопитно е да се мисли, че учените са започнали работа по ядрен синтез преди почти петдесет години, което е времето, когато са измислили първите техники за магнитно задържане. въпреки това, остават огромни предизвикателства това ще трябва да бъде решено, преди търговският реактор за ядрен синтез да види бял свят. Ще обсъдим тези предизвикателства, предимствата на синтеза пред деленето, настоящото състояние на ядрения синтез и как ще се развива в бъдеще, ще обсъдим подробно в бъдеща статия, която се надявам да ви се стори интересна или повече от тази.

Изображение на корицата | Engin_Akyurt
Изображения | TDC | Уикимедия | pxhere | Пексели