Ядерный синтез против деления: физик объясняет разницу
Во всем мире на атомную энергетику приходится около 10 % производства электроэнергии. В некоторых странах, например во Франции, эта цифра составляет почти 70 процентов.
Крупные технологические компании, такие как Google, также обращаются к атомной энергетике, чтобы удовлетворить огромные потребности своих центров обработки данных в электроэнергии.
Источником всей ядерной энергии является энергия связи атома. Энергия, запасенная в атоме, может быть высвобождена двумя основными способами: делением или синтезом. Деление предполагает расщепление больших тяжелых атомов на более мелкие и легкие. Синтез предполагает объединение маленьких атомов в более крупные.
Оба процесса выделяют много энергии. Например, один ядерный распад U235, изотопа урана, который обычно используется в качестве топлива на большинстве электростанций, производит более чем в 6 миллионов раз больше энергии на одну химическую реакцию, чем самый чистый уголь.
Это означает, что они являются отличными процессами для генерации энергии.
Что такое деление?
Деление — это процесс, лежащий в основе каждой действующей сегодня атомной электростанции. Это происходит, когда крошечная субатомная частица, называемая нейтроном, врезается в атом урана, расщепляя его.
Это происходит высвобождает больше нейтронов, которые продолжают сталкиваться с другими атомами, запуская цепную ядерную реакцию. Это, в свою очередь, высвобождает огромное количество энергии.
Для преобразования этой энергии в электричество устанавливается теплообменник. , который превращает воду в пар, приводя в движение турбину для выработки электроэнергии.
Реакцией деления можно управлять с помощью подавление подачи нейтронов. Это достигается за счет введения «регулирующих стержней», которые поглощают нейтроны.
Исторически, ядерные аварии, такие как Чернобыль произошли, когда стержни управления не смогли зацепиться и погасить подачу нейтронов и/или прекратилась циркуляция теплоносителя.
Так называемые конструкции «третьего поколения» улучшают ранние конструкции за счет включения пассивных или встроенных функций безопасности, которые не требуют активного контроля или вмешательства человека во избежание несчастных случаев в случае неисправности. Эти функции могут зависеть от перепада давления, гравитации, естественной конвекции или естественной реакции материалов на высокие температуры.
Первыми реакторами третьего поколения были усовершенствованные реакторы с кипящей водой Кашивазаки 6 и 7 в Японии.
An Нерешенная проблема деления состоит в том, что побочные продукты реакции остаются радиоактивными в течение длительного времени, порядка тысяч лет. При переработке источник топлива и отходы также могут быть использованы для изготовления ядерного оружия.
Энергия деления продемонстрированная технология. Его также можно масштабировать от крупномасштабных (крупнейшим из которых является атомная электростанция Касивадзаки-Карива мощностью 7,97 гигаватт в Японии) до реакторов малого и среднего размера, которые производят около 150 мегаватт электроэнергии, которые используются на корабле или атомной подводной лодке. p>
Это реакторы, которые будут питать восемь атомных подводных лодок Австралии, обещанные в рамках трехстороннего партнерства в области безопасности с Соединенным Королевством. и США.
Что такое слияние?
Слияние — это процесс, питает Солнце и звезды. Это процесс, противоположный делению. Это происходит при слиянии атомов.
Самая простая реакция, которую можно инициировать в лаборатории, — это синтез изотопов. водорода, дейтерия и трития. На единицу массы реакция производит в 4 раза больше энергии, чем деление U235.
Топливный ион дейтерий невероятно распространен на Земле и во Вселенной. Тритий радиоактивен, его период полураспада составляет 12 лет, поэтому он очень редок на Земле.
Вселенная возраст 13,8 миллиардов лет; единственные изотопы легких ядер (водорода, гелия и лития), обнаруженные в природе, — это те, которые стабильны в этих временных масштабах.
Однако при В настоящее время учёным очень сложно создать реакцию синтеза вне лаборатории. Это потому, что для плавления требуются невероятно жаркие условия: оптимальные условия — 150 миллионов градусов Цельсия.
При этих условиях При температурах ионы топлива существуют в состоянии плазмы, где электроны и (ядерные) ионы диссоциированы. Побочный продукт этого процесса не радиоактивен; скорее, это гелий, инертный газ.
Ведущий технологический путь для демонстрации устойчивого термоядерного синтеза называется «тороидальным» магнитное удержание». Это когда плазма удерживается при экстремальных температурах в очень большой магнитной бутылке в форме пончика.
В отличие от При делении этот технологический путь требует постоянного внешнего нагрева для достижения условий термоядерного синтеза и сильного удерживающего поля. Прервите любой из них, и реакция прекратится.
Задача заключается не в неконтролируемом расплавлении, а в том, чтобы реакция протекала при все.
Основной нерешенной проблемой тороидального термоядерного синтеза, которая привлекает большую часть исследовательского интереса, является демонстрация горящей саморазогревающейся плазмы. Это когда тепловая мощность, производимая самой реакцией, является первичной. Это цель финансируемого государством многонационального проекта ИТЭР, крупнейшего в мире эксперимента по термоядерному синтезу, а также эксперимента SPARC, финансируемого из частных источников в Массачусетском технологическом институте.
Однако большая часть научного сообщества сходится во мнении, что термоядерный синтез не будет коммерчески жизнеспособным как минимум до 2050 года.
Климатическое решение?
Меня часто спрашивают, может ли ядерная энергетика спасти Землю от изменения климата. У меня много коллег в области климатологии, и моя покойная жена была известным ученым-климатологом.
Наука ясна: уже слишком поздно остановить изменение климата. Миру необходимо сделать все возможное, чтобы сократить выбросы углекислого газа и свести к минимуму катастрофический ущерб, и это нужно было сделать десятилетия назад.
Для планеты деление является частью этого глобального решения, наряду с повсеместным внедрением и внедрением возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнечная энергия.
В более долгосрочном масштабе один надеется, что термоядерный синтез может заменить деление. Запасы топлива гораздо больше и распределены повсеместно, проблема отходов на несколько порядков меньше по объему и времени, а технология не может быть использована в качестве оружия. 
Мэттью Хоул, профессор Института математических наук и школы вычислительной техники Австралийского национального университета
Эта статья перепечатана из журнала The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.
