Защо обещанието за ядрен синтез вече не е мечта?
Синтезът, комбиниране на атомни ядра за освобождаване на енергия, е чист и безопасен начин за захранване на нашите домове и индустрия. Този „свещен граал“ на енергията убягва на физиците от десетилетия, но има признаци, че светлото бъдеще се вижда на хоризонта.
Звучи като в сънищата: практически неограничен източник на енергия, който не произвежда парникови газове или радиоактивни отпадъци. Това е обещанието за ядрен синтез, който от десетилетия не е нищо повече от фантазия поради непреодолими технически предизвикателства. Но нещата намират своето развитие в това, което се превърна в надпревара за създаване на изкуствено слънце тук на Земята, което може да осигури енергия за нашите домакински електроуреди, коли и електрически крушки.
Днешните атомни електроцентрали създават електричество чрез ядрен разпад, при който атомите се разделят. Ядреният синтез обаче включва комбиниране на атомни ядра за освобождаване на енергия. Това е същата реакция, която се случва в ядрото на Слънцето. Но преодоляването на естественото отблъскване между атомните ядра и поддържането на правилните условия за осъществяване на синтез не е лесно. И правенето на това по начин, който произвежда повече енергия, отколкото изразходва реакцията, е извън обхвата на най-добрите умове във физиката от десетилетия.
Но може би не за дълго. Някои големи технически предизвикателства бяха преодолени през последните няколко години и правителствата по целия свят наливат пари в изследвания на термоядрения синтез. Има и над 20 частни предприятия в Обединеното кралство, САЩ, Европа, Китай и Австралия, които се борят да бъдат първите, които ще превърнат производството на термоядрена енергия в реалност. „Хората казват: „Ако наистина е най-доброто решение, нека да разберем дали работи или не“, казва д-р Тим Лус, оперативен и научен ръководител в Международния термоядрен експериментален реактор (ITER), който се строи в югоизточната част Франция. ITER е най-голямото начинание за термоядрен синтез досега.
Разходите за строеж от 22 милиарда долара (£15,9 милиарда) се покриват от правителствата на две трети от световното население, включително ЕС (в частност и България), САЩ, Китай и Русия, и когато бъде задействан през 2025 г., той ще бъде най-големият в света термоядрен реактор. Ако проработи, ITER ще трансформира енергията на синтеза от мечтан в жизнеспособен източник на енергия.
Изграждане на реактор за ядрен синтез
ITER ще бъде токамак – смята се, че е най-добрата надежда за термоядрена енергия. Вътре в токамака има газ, често водороден изотоп, наречен деутерий, който е подложен на интензивна топлина и налягане, изтласквайки електроните от атомите. Това създава плазма, прегрят, йонизиран газ, който трябва да бъде задържан от интензивни магнитни полета.
Задържането е жизненоважно, тъй като нито един материал на Земята не може да издържи на интензивната топлина (100 000 000°C и повече), която плазмата трябва да достигне, за да може да започне синтез. Топлината е близо 10 пъти повече от топлината в ядрото на Слънцето , а такива температури са необходими в токамака, защото гравитационното налягане в Слънцето не може да бъде пресъздадено.
Един от начините за ядрен синтез е да се използват атоми на деутерий и тритий, два изотопа на водорода. Те се сливат при невероятна топлина и налягане и получените продукти отделят енергия под формата на топлина.
Когато атомните ядра започнат да се сливат, се освобождава огромно количества енергия. Докато експерименталните реактори, които в момента работят, освобождават тази енергия като топлина, в електроцентрала с термоядрен реактор топлината ще се използва за производство на пара, която ще задвижва турбините за генериране на електричество.
Токамаците не са единствения тип термоядрен реактор, който се разработва. При друг тип реактор се използват лазери за нагряване и компресиране на водородно гориво, за да започне синтез. През август 2021 г. едно такова устройство в National Ignition Facility на Националната лаборатория „Лорънс Ливърмор“ в Калифорния генерира 1,35 мегаджаула енергия.
Тази рекордна цифра приближава мощността на синтеза една стъпка по-близо до чистия добив на енергия, но повечето надежди все още се възлагат на токамак реактори, а не на лазери.
През юни 2021 г. китайският експериментален усъвършенстван свръхпроводящ токамак (EAST) реактор поддържа плазма за 101 секунди при температура 120 000 000°C. Преди това рекордът беше 20 секунди. В крайна сметка термоядреният реактор ще трябва да поддържа плазмата за неопределено време – или поне за осемчасови „импулси“ по време на периоди на пиково потребление на електроенергия.
Най-важното подобрение за токамаците са магнитите, използвани за създаване на магнитно поле. „Ние знаем как да правим магнити, които генерират много силно магнитно поле от мед или друг вид метал, но бихте платили цяло състояние за електричеството. „Стойността на енергията произвеждана от централата не би била изгодна.“, казва Лус.
Решението е да се използват високотемпературни, свръхпроводящи магнити, направени от свръхпроводящ проводник или „лента“, която няма електрическо съпротивление. Тези магнити могат да създават интензивни магнитни полета и не губят енергия като топлина.
„За високотемпературната свръхпроводимост се знае от 35 години. Но технологията за производство на лента с дължини, които биха били необходими за направата на достатъчна термоядрена намотка, беше разработена съвсем наскоро“, казва Лус. Един от магнитите на ITER, централният соленоид, ще произвежда поле от 13 тесла – 280 000 пъти магнитното поле на Земята.
Вътрешните стени на вакуумния съд на ITER, където ще се случи сливането, ще бъдат облицовани с берилий, метал, който няма да замърси много плазмата, в случай на контакт. В долната част е диверторът, който ще поддържа температурата вътре в реактора под контрол.
„Топлинното натоварване на дивертора може да бъде толкова голямо, колкото в ракетна дюза“, казва Лус. „Ракетните дюзи работят, защото можете да влезете в орбита за минути, а в космоса е наистина студено.“ В термоядрен реактор диверторът ще трябва да издържа на тази топлина за неопределено време и в ITER ще се тества такъв, направен от волфрам.
Междувременно в САЩ National Spherical Torus Experiment – Upgrade (NSTX-U) ще бъде задействан през есента на 2022 г.. Един от приоритетите ще бъде да се види дали облицовката на реактора с литий помага за поддържане на стабилността на плазмата .
Избор на гориво?
Вместо просто да използва деутерий като гориво за синтез, ITER ще използва деутерий, смесен с тритий, друг водороден изотоп. Сместа деутерий-тритий предлага най-добрия шанс за получаване на значително повече енергия, отколкото е вложена. Привържениците на термоядрената енергия казват, че една от причините, поради която технологията е безопасна е, че горивото трябва непрекъснато да се подава в реактора, за да се поддържа синтезът, което дава възможност за контрол на реакцията.
Деутерий може да бъде извлечен от морска вода, така че има практически неограничени доставки от него. Но се смята, че в целия свят съществуват само 20 кг тритий, така че електроцентралите за термоядрен синтез ще трябва да го произвеждат (ITER ще разработи технология за „отглеждане“ на тритий). Докато някои радиоактивни отпадъци ще се отработват в завода за синтез, те ще имат „трайност“ от около 100 години, а не хиляди години, както е след делене.
През месец септември, изследователи при Joint European Torus (JET), реактор за синтез, трябваше да започнат синтез на деутерий-тритий. „JET ще помогне на ITER да подготви избор от параметри на машината за оптимизиране на мощността на синтеза“, казва д-р Джоел Майлу, един от ръководителите на научни програми в JET. Тези параметри ще включват намиране на най-добрата комбинация от деутерий и тритий, както и установяване на това как токът се увеличава в магнитите, преди да започне синтеза.
Основата, положена в JET, трябва да ускори усилията на ITER за постигане на нетна печалба от енергията. ITER ще произведе „първа плазма“ през декември 2025 г. и ще бъде настроен до пълна мощност през следващото десетилетие. Неговата плазмена температура ще достигне 150 000 000°C и целта му е да произведе 500 мегавата мощност на синтез на всеки 50 мегавата входяща топлинна мощност.
„Ако ITER е успешен, това ще премахне повечето, ако не и всички научни съмнения и ще освободи пари за развитие на технологиите“, казва Люс. Това технологично развитие ще създаде демонстрационни електроцентрали с термоядрен синтез, които наистина произвеждат електричество. „ITER отваря вратата и казва: да, това работи!“
Източник: Science Focus
