Pin1WhatsAppRedditБөлісуЭлектрондық поштаTweet1 Бөлісу
Адамзат ядролық синтез энергиясын армандауды ұзақ уақыт бойы жалғастырды. Біз ядролық бөлінуді бірнеше ондаған жыл бұрын игердік, ал ядролық энергия бізге содан бері жақсы қызмет етіп келеді, тек оның қорқынышты беделінен басқа. Чернобыль мен Фукусимадағы сияқты ядролық энергия істен шыққан кезде, оның салдары өте ауыр болады.
Ірі апаттарға қарамастан, ядролық энергия күн және жел энергиясымен қатар ең қауіпсіз энергия көздерінің бірі болып табылады. Ядролық энергия көмірге қарағанда 99,91%-ға аз өлімге әкеледі. Мұнай мен газ көмір сияқты қауіпті. Ядролық энергия, әсіресе қазіргі заманғы ядролық энергетика, кез келген басқа энергия көзіне қарағанда әлдеқайда тиімді.
Қазіргі заманғы атом энергетикасы қалдықтарды өндіру тұрғысынан да өте тиімді. Қалдықтардың көп бөлігін қайта өңдеуге болады, ал атом электр станциялары жұмыс істеген жылына тек 3 текше метр қалдық шығарады. Салыстыру үшін, көмірмен жұмыс істейтін электр станциясы сол кезеңде 300 000 тонна күл және алты миллион тонна CO2 шығарады.
Мұның бәрі ядролық энергияны өте тартымды етеді. Енді бөлінудің орнына термоядролық синтез энергиясын пайдалануды елестетіп көріңізші. Бөліну энергиясынан төрт есе көп, ал жалғыз қалдық - радиоактивті емес гелий. Көмір энергиясынан төрт миллион есе көп.
Сіз ядролық синтездің шексіз энергия деп сипатталғанын естіген боларсыз. Бұл шындықтан алыс емес, онымен байланысты ықтимал шығындарды қоспағанда. Бірақ егер біз осы кедергілерді жеңіп, ядролық синтезді игере алсақ, әлемді мәңгілікке өзгертеміз. Бірақ бізде әлі ондай мүмкіндік жоқ.
Термоядролық реакторларды жобалау 1939 жылы басталған, бірақ айтарлықтай ілгерілеушілік болмағаны анық. Біз артықшылықтары мен ғылыми негіздерін түсінеміз, бірақ іс жүзінде қолдану әлі жүзеге асырылған жоқ. Біз тіпті термоядролық реакцияларды жасай аламыз, бірақ оларды әлі де қолдап, пайдалана алмаймыз. Сонымен, бұл бола ма? Көреміз!
Фьюжн дегеніміз не?
Жерде жасалуы қаншалықты қиын болса да, термоядролық энергия толығымен нақты және ықтимал. Күнді қуаттандыратын нәрсе - осы. Күннің жоғары қысымы мен температурасы сутегі атомдарын біріктіріп, қосымша өнім ретінде гелий түзе алады. Бұл реакцияда бөлінетін энергия Күнді біз күн сайын аспанда көретін алып, жалынды плазма шарына айналдырады.
Қазіргі ядролық реакторлар мен ядролық қаруларда болатын атомдық бөліну - атомның бөлінуі, синтез емес. Екі жағдайда да керемет энергия бөлінеді, себебі пайда болған ядроның массасы реакцияға түсетін ядролардың массасынан аз.
Күн бір күні тіршілік ету үшін қажетті отыны таусылған кезде сөніп қалады, бірақ қазір оның тағы бес миллиард жылға жететін сутегісі бар, сондықтан бұл біз үшін жақын арада үлкен проблема болмайды.
Жер бетінде ядролық синтездің жұмыс істеуі үшін бізге жұмсағанымыздан да көп энергия беретін реакция қажет. Мәселе мынада. Ядролық синтез реакциясын бастау үшін көп энергия қажет. Ол зарядталған бөлшектермен толтырылған өте ыстық газ болып табылатын плазманы жасауды қажет етеді. Ядролық синтезді тудыру үшін осы уақытқа дейін жасаған әрбір әрекетіміз плазманы қалыптастыру үшін қажетті қысым мен температураны жасау үшін кейінгі кішкентай ядролық синтез реакциясында жасай алатыннан да көп энергияны қажет етті. Есіңізде болсын, Күн Жерден 333 000 есе үлкен, сондықтан ондағы қысым мен температура (27 миллион градусқа жетеді) әлдеқайда төмен.
Термоядролық генератор жасау мүмкін бе?
Жерде ядролық синтез мүмкін, бірақ бұл қиын. Күнге қысым 24,7 миллион гигапаскальды құрайды. Салыстыру үшін, ғалымдар бір кездері зертханада 770 гигапаскаль қысым жасап, халықаралық сенсация тудырған. Бұл ядролық синтездің мұнда да, Күндегідей оңай жұмыс істеуіне кедергі келтіретін негізгі кедергі. Біз тіпті дәл осындай қысым жасауға жақындай алмаймыз. Бұл температураны көтеруіміз керек дегенді білдіреді, бірақ бұл әлдеқайда көп энергияны қажет етеді, бұл реакцияны бұзады. Егер ядролық синтез жасау үшін қажетті энергия қажетті нәтижеге жету үшін жеткіліксіз болса, онда ол пайдасыз.
Күн 27 миллион градусқа дейін температура тудыра алады дегеніміз есіңізде ме? Термоядролық синтез жасау үшін зертханаларда не істеу керектігін естігенше, бұл таңқаларлық естіледі. Жерде қысымның болмауын өтеу үшін лазерлерді пайдаланып, біз плазманы 100 миллион градусқа дейін қыздырамыз.
Бұл процесс жұмыс істейді, және біз зертханада ядролық синтезді бірнеше рет сәтті қолдандық. Мәселе мынада, 100 миллион градус температураға жету үшін ядролық синтез өндіре алатыннан көп энергия қажет. Ядролық синтез мүмкін деңгейге жеткеннен кейін, ол бастапқыда өте қымбатқа түседі деп айтуға болады. Бұл шексіз энергия ресурстары туралы арманға үлкен кедергі келтіреді.
Қазіргі уақытта бүкіл әлемде өндірілгеннен көп энергияны қажет етпейтін тұрақты синтез реакциясын жасау үшін шамамен 20 термоядролық реактор жұмыс істейді. 2022 жылы ғалымдар бұған алғаш рет қол жеткізді. Олар бір отын капсуласына бағытталған 200 лазерді қуаттандыру үшін екі мегаджоуль энергияны пайдаланды. Термоядролық реакция басталып, 3,15 мегаджоуль энергия өндірді. Бұл шағын, бірақ сәтті реакция. Ол тағы үш рет қайталанды, бір рет 3,88 мегаджоуль өндірілді, бұл мұның кездейсоқтық емес екенін дәлелдеді.
Сондай-ақ, 2022 жылы Қытайдағы зертхана ең ұзаққа созылатын реакция рекордын жаңартты, ол 126 миллион градус Цельсий температурасында 17 минутқа созылды. Кейінірек Ұлыбританиядағы зертхана 59 мегаджоуль тұрақты энергия өндірді, бұл алдыңғы рекордты екі есеге арттырды. 2024 жылы 69 мегаджоуль өндірілді. Іс жүзінде бұл көп емес, тек төрт ыстық ваннаға жеткілікті. 2030 жылға қарай жұмыс істейтін термоядролық генераторларды жасаудың бірнеше жоспары бар.
Мұның өміршең болуы үшін өндіріс көлемін айтарлықтай арттыру қажет. Қалаларды электр қуатымен қамтамасыз ету әлдеқайда көп энергия өндіруді қажет етеді. Бірақ перспективалар бар және бұл жақын арада болады деп күтілуде.
Неліктен біз мұны соншалықты қалаймыз?
Ядролық синтездің шексіз энергия көзі деп аталуы таңқаларлық емес. Ол ғаламдағы ең көп таралған элемент сутегімен жұмыс істейді.
Мысалы, бізде тұрақты және сенімді, жоғары тиімді термоядролық энергия өндіретін, термоядролық реактордың бір түрі бар делік. Бір галлон теңіз суы 300 галлон бензинге тең энергия өндіруге жеткілікті болар еді. Лас түтін шығаратын көмірге немесе радиация шығаратын уранға қажеттілік болмас еді. Тек таза, қолжетімді отын және қауіпті қосымша өнімдерсіз.
Күн және жел энергиясы да таза энергия өндірумен мақтана алады, бірақ олар ядролық синтез ауқымында жұмыс істей алмайды. Жел және күн энергиясы күн батареялары мен жел диірмендері сияқты әлдеқайда көп инфрақұрылымды қажет етеді. Күн және жел энергиясы ауа райына байланысты, ал ядролық синтезде олай емес.
Термоядролық синтез энергиясын пайдаланудың басты артықшылығы - оның климатқа әсері. Термоядролық синтез энергиясы қазіргі заманғы энергия көздерінің, әсіресе қазба отындарының әсерінен қоршаған ортаның ластануын тиімді түрде жояды. Біз көптеген қауіпті шығарындылардың өндірілуін тоқтата аламыз. Климаттық дағдарысты термоядролық синтез энергиясымен шешуге болады. Термоядролық синтез энергиясына инвестиция салатын компаниялар 2050 жылға қарай көміртегі шығарындыларының таза нөлдік деңгейіне жетуге болады деп болжайды.
Ядролық синтездің кез келген қолданыстағы энергия өндіру әдісіне қарағанда әлдеқайда тиімді екендігі де үлкен артықшылық болып табылады. Энергия өндіру көмірмен жұмыс істейтін электр станциясына қарағанда төрт миллион есе тиімдірек, бұл тіпті көмірді пайдалануды қарастыруды да тиімсіз етеді.
Бөліну энергиясы қазіргі уақытта қолжетімді ең жақсы нұсқа болғанымен, синтез тек энергия өндіру тұрғысынан ғана емес, сонымен қатар қауіпсіздік тұрғысынан да айтарлықтай артықшылыққа ие. Қазіргі кездегі атом электр станцияларының ең үлкен кемшіліктері - апаттар қаупі және қалдықтар мәселесі. Термоядролық реакторлар бұл екі мәселені де жояды. Қауіпті қалдықтар жоқ, ал станциядағы апаттар мүмкін емес.
Термоядролық электр станциялары отынды өте аз мөлшерде пайдаланады; қолданылатын дейтерий немесе тритий мөлшері пошта маркасының көлеміндей. Егер бірдеңе болса, реакция бақылаудан шығып, ядроның балқуына әкелмейді; ол жай ғана жанып, тоқтайды.
Тағы бір маңызды мәселе: бұл реакторлар сутекті пайдаланатындықтан, геосаяси шиеленістердің айтарлықтай бөлігін азайтуға болады. Егер мұнайға қатысты соғыстар ешкімге қажет болмағандықтан жүргізілмесе, елестетіп көріңізші. Әлемдік ауқымда жаңа динамиканың әлеуеті өте нақты. Сонымен қатар, әлемнің әртүрлі аймақтарына ықтимал экономикалық әсерді елемеуге болмайды.
Термоядролық энергияның қауіптілігі қандай?
Бұл ешқандай қауіп төндірмесе де, синтез энергиясының дамуының алғашқы кезеңдеріндегі әлеуетті кемшілігі шығындар болуы мүмкін. Жаңа көлік, жаңа ойын консолі немесе жаңа энергия көзі болсын, кез келген жаңа нәрсе қымбатқа түседі. Дәстүрлі энергия көздері арзандай түседі. Сондықтан біз әлі күнге дейін көмір мен бензин жағамыз және атом электр станцияларын пайдаланамыз. Инфрақұрылым бар, энергия өндіру әдісі түсінікті және тұтынушылар ол үшін белгілі бір баға төлеуге үйренген.
Ядролық синтездің құны 2020 жылғы бағамен МВт/сағ үшін шамамен 80-100 долларды құрайды деп болжануда. Дегенмен, шынайы сценарий бойынша шығындар айтарлықтай жоғары болады, МВт/сағ үшін 150 долларға дейін жетеді. Бұл көрсеткіш инфляция өскен сайын артады. Дегенмен, бұл тек ядролық синтез қалыпты жағдайға айналған әлемде ғана шынайы. Бастапқыда Принстон зерттеушілері ядролық синтезге жұмсалатын капиталдық шығындар кВт/сағ үшін 7000 долларға жетуі мүмкін деп болжаған.
2021 жылы АҚШ Энергетика министрлігі термоядролық энергияны зерттеу және өндіру үшін токамактар жасап жатқан ITER халықаралық термоядролық зерттеу жобасының құны 65 миллиард доллар болғанын бағалады. Бастапқы бюджет 5 миллиард доллар деп жоспарланған болатын. Басқаша айтқанда, термоядролық синтездің нақты құнын әлі ешкім білмейді, бірақ ол біз ойлағаннан да жоғары болуы мүмкін.
Практикалық қауіптер тұрғысынан алғанда, термоядролық реакторлар көпшіліктің пікірінше жұмыс істемеуі мүмкін. Күн сутекті термоядролық реакцияға қосады, бірақ Жерде біз дейтерий мен тритий, сутегінің изотоптарын пайдалануды қарастырып жатырмыз, себебі олар сутегіге қарағанда реактивтірек. Тритий табиғатта кездеспейді. Ол радиоактивті және бөлінудің жанама өнімі. Термоядролық реакция ақырында өзінің тритийін тудыруы мүмкін, бірақ оны алдымен көп мөлшерде жеткізу керек. Бір граммның құны шамамен 30 000 долларды құрайды.
Осы изотоптарды пайдалана отырып, синтездеу нейтрондық ағындарды жасайды, олар радиоактивті және қаруға жарамды плутоний өндіре алады. Сондықтан, «нөлдік қалдық» артықшылығы Жерде синтезді қалай жүргізетінімізге қолданылғанда техникалық тұрғыдан шындыққа жанаспайды. Дегенмен, жақтаушылар тритийдің жартылай ыдырау периоды өте қысқа екенін және синтездеу қондырғыларында тек елеусіз мөлшерде қажет екенін атап өтеді. Бұл әлі де салыстырмалы қауіпсіздікті қамтамасыз ете алады. Нейтрондық ағындарға келетін болсақ, олардан қорғау және қорғау шешімі әлі анықталмаған, бірақ бұл мүмкін.
Тағы бір кемшілік, энергия мәселесіне оралсақ, таза энергияның пайдасы туралы тұжырым біршама түсініксіз болуы мүмкін. 2022 жылғы синтез серпілісі туралы есепте зертхана лазерлерді атпас бұрын зарядтау үшін 300 мегаджоуль энергияны пайдаланғаны, нәтижесінде үш мегаджоуль синтез энергиясы алынғаны айтылмаған. Олар тек нақты ату кезінде бөлінетін энергияға ғана назар аударды, ол өндірілген энергиядан аз болды.
Әлемді құтқарушы рөліне келетін болсақ, уақтылылық мәселесі де бар. Егер біз әлемді климаттық дағдарыстан құтқарғымыз келсе, БҰҰ 2050 жылға қарай бүкіл әлемде көміртегі бейтараптығына қол жеткізуіміз керек дейді. Компаниялардың уәделеріне қарамастан, ядролық синтезді соншалықты тез кеңейту екіталай сияқты. Бұл оны әзірлемеу керек дегенді білдірмейді, бірақ оны шешуге тым кеш болатын мәселені шешеді деп мәлімдеу - бұл шынайылыққа жатпайтын нәрсе.
Сондай-ақ, термоядролық генератордың өндіре алатын қуаты туралы ақпарат көбінесе түсініксіз тілмен жасырылатынын атап өткен жөн. Франциядағы ITER қондырғысы 500 мегаватт қуат тұтынумен 500 мегаватт қуат өндіре алады деп мәлімделеді. Бұл жақсы келісім сияқты естіледі, бірақ 500 мегаватт электр қуаты емес, нейтрондар мен альфа бөлшектері түріндегі термоядролық энергия. Ал 50 мегаватт тұтынылатын электр қуаты емес, тек жылу энергиясы. Қондырғы әлдеқайда көп электр қуатын тұтынады, шамамен 300-400 мегаватт. Сондықтан, мәлімделген тиімділікке әлі қол жеткізілген жоқ, ал PR мен маркетинг шындықты бұрмалайды.
Күн және ғарыштағы басқа жұлдыздар термоядролық синтез энергиясының таңғажайып энергия көзі екенін сөзсіз дәлелдейді. Адамзат оны пайдалануда табысқа жете ме, жоқ па, оны жұмсалған уақыт пен күш-жігерді ақтайтындай етіп пайдалана ма, жоқ па, біз кем дегенде бірнеше жыл бойы біле алмаймыз.
Сізді қызықтыруы мүмкін басқа мақалалар