20 августа 2018, понедельник

Термоядерная новость. 25-летний американский физик придумал, как спасти мир от энергетического кризиса

Основатель американского стартапа предлагает решение, которое может изменить термоядерный синтез
york.uk

Основатель американского стартапа предлагает решение, которое может изменить термоядерный синтез

Американский стартап Agni Energy представил технологию первого в мире эффективного реактора управляемого термоядерного синтеза.

В мире физики есть старая шутка о том, что коммерческая установка управляемого термоядерного синтеза станет реальностью не более, чем через 30 лет. И этой шутке уже лет 80, иронизирует обозреватель портала LiveScience Ясмин Саплакоглу.

Миллиардные инвестиции в экспериментальные установки (например, европейский ITER) и колоссальные усилия, прилагаемые в этой сфере легко объяснить высокими ставками. Термоядерный синтез мог бы в принципе изменить мировую энергетику. Он привел бы к отказу от традиционных ядерных реакторов и сильно ускорил бы отказ от ископаемых видов топлива.

О влиянии этих вещей на мировую экономику и говорить нечего. В долгосрочной перспективе страны, которые первыми перейдут на термоядерный синтез фактически навсегда обеспечат себе энергетическую независимость. Вопрос о возможном исчерпании запасов нефти и природного газа станет в принципе не актуальным. Равно как и зависимость целых регионов мира от поставок энергоресурсов из нескольких отдельно взятых стран.

Сотрудники молодой американской компании Agni Energy уверены, что их разработка увидит свет гораздо раньше.

Заимствуя идеи из существующих разработок в области термоядерного синтеза, а также концепцию, которая возникла давно, но считалась нерабочей, американские физики предлагают новую технологию, которая может изменить облик мировой энергетики.

В частности, создатели утверждают, что установка будет в 10 раз эффективнее, чем существующие ядерные реакторы.

Управляемый термоядерный синтез

Существующие ядерные реакторы используют процесс расщепления атомов, в ходе которого ядра атомов делятся на 2-3 ядра с меньшими массами, они называются осколками деления. У этого процесса также есть побочные продукты - альфа-частицы, нейтроны и гамма-кванты.

Собственно, суть процесса в том, что при делении тяжелых ядер выделяется большое количество кинетической энергии, которую на ядерных электростанциях превращают в электричество. Проблема этого процесса в том, что побочные радиоактивные отходы необходимо собирать, а затем где-то хранить.

Термоядерный синтез же наоборот подразумевает не деление, а объединение атомов. Проще говоря, получение тяжелых атомных ядер из более легких.

Солнце - гигантский термоядерный реактор

Суть процесса заключается в следующем. Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, которых удерживает вместе одна из фундаментальных сил природы - так называемое сильное взаимодействие.

При изменении состава протонов и нейтронов, которое имеет место быть при превращении легких ядер в тяжелые, выделяется кинетическая энергия, которую можно преобразовать в тепловую или электрическую, как это делается на современных ядерных энергетических станциях.

Отличие в том, что термоядерный синтез (в теории) позволяет получить больше энергии и при этом не сопровождается выделением побочных радиоактивных продуктов.

И этот процесс не является изобретением человека. Вселенная активно и повсеместно использует термоядерные реакторы. Ближайшим из них для нас является Солнце.

Основная проблема в том, что до сих пор ученым не удавалось создать такой реактор термоядерного синтеза, чтобы количество энергии, выделявшейся в результате реакции, было больше того количества, которое требуется, собственно, для осуществления самой реакции.

Гибридное решение

Большинство термоядерных реакторов используют один из двух методов работы. Это либо разогрев плазмы (газа, содержащего ионы) до экстремально высоких температур с помощью лазерных лучей, либо сжатие плазмы с помощью мощных магнитов до невероятно высокой плотности.

Оба метода не лишены изъяна, констатирует Демитри Хопкинс, старший научный сотрудник Agni Energy, стартапа из города Олимпия (штат Вашингтон). По его словам, лазеры требуют колоссального количества энергии, а в случае с магнитами и энергетической плазмой сложно удержать атомы стабильными.

Молодой физик (Хопкинсу всего 25) решил реанимировать забытую идею, об использовании одновременно электрического и магнитного поля для создания гибридной установки термоядерного синтеза.

Ученые не пытаются добиться синтеза ядер из одного источника, вместо этого поток из атомов направляется на цель - твердый объект. В результате атомы, содержащиеся в потоке синтезируются с атомами, содержащимися в “мишени”.

На данный момент планируется, что поток будет состоять из ионов дейтерия или тяжелых ионов водорода с одним нейтроном, а “мишень” будет состоять из ионов трития или тяжелых ионов водорода с двумя нейтронами.

Управление потоком ионов осуществляется с помощью магнитных линз. И когда поток ударяет по “мишени”, происходит синтез двух типов атомов водорода, который сопровождается выбросом высокоэнергетических нейтронов, которые можно использовать для работы паровой турбины, генерирующей электричество.

Вследствие реакции выделяется гелий (нетоксичный газ), а также незначительное количество трития с низким уровнем радиоактивности. Его можно повторно использовать в качестве топлива, уточняет Хопкинс.

По словам Хопкинса, эта модель использует водород, легкий элемент, потому что синтез легких элементов дает больше всего энергии.

Это еще одно ключевое отличие термоядерного синтеза от традиционного расщепления атомов в ядерных реакторах, констатирует американский физик Джемс Конка. Для традиционных АЭС чем тяжелее ядра, тем больше выделяется энергии. В случае с термоядерным синтезом все ровно наоборот, подчеркивает Конка.

Сама идея такого процесса была высказана еще в 1930-х, но тогда ее признали неэффективной поскольку считалось, что для осуществления реакции потребуется больше энергии, чем реакция даст в итоге. Кроме того, физики того времени были убеждены, что в результате столкновения потока и “мишени” слишком много энергии будет рассеиваться.

Хопкинс считает, что эту проблему можно решить, если можно особым образом “настроить” атомы для потока и “мишени” таким образом, чтобы оптимизировать реакцию синтеза.

Если “поиграть” с поляризацией спина атома, можно изменить направление вращения частиц, утверждают исследователи. Это позволит преодолеть Кулоновский барьер. Этим термином обозначают потенциальный барьер, который необходимо преодолеть положительно заряженным ядрам для того, чтобы приблизиться друг к другу. Ведь согласно закону Кулона, положительно заряженные тела отталкиваются друг от друга.

Если же атомы будут “настроены” таким образом, чтобы преодолевать Кулоновский барьер, то отталкивание атомов станет слабее, и в результате реакции будет выделяться большее количество энергии, которую можно эффективно использовать.

В ходе своих экспериментов Хопкинс собрал экспериментальную установку в 2011 году и выяснил, что поляризация спина атома действительно повышает способность частиц к преодолению Кулоновского барьера.

Теоретически, это и есть та самая революция в сфере термоядерного синтеза, которую все так ждут вот уже много десятилетий.

Именно Кулоновский барьер является одним из препятствий для термоядерной реакции в плазме. Ядерные силы (отвечающие за притягивание протонов и нейтронов) становятся больше силы кулоновского отталкивания только при очень больших температурах (как в ядре Солнца, к примеру). Тогда термоядерная реакция может стать самоподдерживающейся.

До сих пор краткосрочные термоядерные реакции были возможны лишь на сверхмощных реакторах, способных разогреть плазму до температуры в миллионы кельвинов. А на этот процесс уходит колоссальное количество энергии. Что и делает процесс коммерчески невыгодным даже в перспективе.

Если Хопкинс и его коллеги правы, то у них в руках - решение проблемы.

Хопкинс утверждает, что эффективность придуманного им реактора в 16 млн раз выше, чем у традиционных теплоэлектростанций, работающих на угле, и в 10 раз выше, чем у современных ядерных реакторов.

И речь идет не о 30 годах в очередной раз, уверен Хопкинс. Это произойдет гораздо раньше. И это будет смена мировой энергетической парадигмы, убежден молодой физик.

Критика и сомнения

Далеко не все уверены в том, что такое решение может оказаться действительно эффективным. В частности, некоторые физики считают, что эта модель работоспособна только на установках малых размеров.

По мнению Дональда Спонга, американского физика из университета Тенесси, в промышленных масштабах будет невозможно получать от такой реакции больше энергии, чем будет затрачено на ее осуществление. По вполне фундаментальным причинам, подчеркивает Спонг, указывая на то, что само по себе создание атомов с “экзотической спин-поляризацией” будет весьма энергозатратным мероприятием.

По мнению Джона Фостера, ядерного физика из университета Мичигана, решение, предложенное Agni Energy, не является невозможным. Но воплотить его в жизнь будет весьма непросто. При попадании потока в “мишень” уровень рассеивания частиц будет весьма высок, предупреждает Фостер.

Он подтверждает гипотезу Хопкинса о том, что спин-поляризация может существенно повысить эффективность процесса, но весь “фокус” в том, чтобы осуществлять это на практике и в больших масштабах.

 

Хотите знать не только новости, но и что за ними стоит?

Читайте журнал Новое Время онлайн.
Подпишитесь прямо сейчас

Читайте 3 месяца за 59 грн

Читайте срочные новости и самые интересные истории в Viber и Telegram Нового Времени.

Комментарии

1000

Правила комментирования
Показать больше комментариев

Последние новости

ТОП-3 блога

Фото

ВИДЕО

Читайте на НВ style

Научпоп ТОП-10

опрос

Погода
Погода в Киеве

влажность:

давление:

ветер: