Termonükleer enerjinin bir geleceği var mı?

2024 Yazar: Seth Attwood | [email protected]. Son düzenleme: 2023-12-16 16:18

Yarım yüzyıldan fazla bir süredir bilim adamları, Dünya'da yıldızların bağırsaklarında olduğu gibi bir termonükleer reaksiyonun gerçekleştiği bir makine inşa etmeye çalışıyorlar. Kontrollü termonükleer füzyon teknolojisi, insanlığa neredeyse tükenmez bir temiz enerji kaynağı vaat ediyor. Sovyet bilim adamları bu teknolojinin kökenindeydi - ve şimdi Rusya dünyanın en büyük füzyon reaktörünün inşasına yardım ediyor.

Bir atomun çekirdeğinin parçaları muazzam bir kuvvetle bir arada tutulur. Serbest bırakmanın iki yolu vardır. İlk yöntem, periyodik tablonun en uzak ucundaki büyük ağır çekirdeklerin fisyon enerjisini kullanmaktır: uranyum, plütonyum. Dünyadaki tüm nükleer santrallerde, enerji kaynağı tam olarak ağır çekirdeklerin bozunmasıdır.

Ancak atomun enerjisini salmanın ikinci bir yolu daha var: bölmek değil, tam tersine çekirdekleri birleştirmek. Birleşirken, bazıları bölünebilir uranyum çekirdeklerinden bile daha fazla enerji yayar. Çekirdek ne kadar hafif olursa, füzyon sırasında o kadar fazla enerji salınır (dedikleri gibi, füzyon), bu nedenle nükleer füzyon enerjisini elde etmenin en etkili yolu, en hafif elementin - hidrojenin - çekirdeklerini ve izotoplarını birleşmeye zorlamaktır..

El yıldızı: sağlam profesyoneller

Nükleer füzyon 1930'larda yıldızların içlerinde meydana gelen süreçleri inceleyerek keşfedildi. Her güneşin içinde nükleer füzyon reaksiyonlarının gerçekleştiği ve ışık ve ısının ürünleri olduğu ortaya çıktı. Bu açıklığa kavuştuğunda, bilim adamları Dünya'daki Güneş'in bağırsaklarında neler olduğunu nasıl tekrarlayacaklarını düşündüler. Bilinen tüm enerji kaynaklarıyla karşılaştırıldığında, "el güneşi" bir takım tartışılmaz avantajlara sahiptir.

İlk olarak, sıradan hidrojen, Dünya'daki rezervleri binlerce yıl sürecek olan yakıtı olarak hizmet eder. Reaksiyonun en yaygın izotop olan döteryum gerektirmediği gerçeği göz önüne alındığında bile, küçük bir kasabaya bir hafta boyunca elektrik sağlamak için bir bardak su yeterlidir. İkincisi, hidrokarbonların yanmasından farklı olarak, nükleer füzyon reaksiyonu toksik ürünler üretmez - sadece nötr gaz helyum.

Füzyon enerjisinin artıları

Neredeyse sınırsız yakıt kaynağı. Bir füzyon reaktöründe, hidrojen izotopları - döteryum ve trityum - yakıt olarak çalışır; izotop helyum-3'ü de kullanabilirsiniz. Deniz suyunda çok fazla döteryum var - geleneksel elektroliz ile elde edilebilir ve Dünya Okyanusu'ndaki rezervleri, insanlığın mevcut enerji talebinde yaklaşık 300 milyon yıl sürecek.

Doğada çok daha az trityum vardır, nükleer reaktörlerde yapay olarak üretilir - ancak termonükleer reaksiyon için çok az gereklidir. Dünyada neredeyse hiç helyum-3 yok, ancak ay toprağında çok şey var. Bir gün termonükleer güce sahip olursak, muhtemelen bunun için yakıt için aya uçmak mümkün olacak.

Patlama yok. Bir termonükleer reaksiyon oluşturmak ve sürdürmek çok fazla enerji gerektirir. Enerji kaynağı durur durmaz reaksiyon durur ve yüz milyonlarca dereceye ısıtılan plazmanın varlığı sona erer. Bu nedenle, bir füzyon reaktörünü açmak, kapatmaktan daha zordur.

Düşük radyoaktivite. Bir termonükleer reaksiyon, manyetik tuzaktan yayılan ve vakum odasının duvarlarında biriken, onu radyoaktif hale getiren bir nötron akışı üretir. Plazma çevresi etrafında özel bir "battaniye" (battaniye) oluşturarak, nötronları yavaşlatarak, reaktörün etrafındaki alanı tamamen korumak mümkündür. Battaniyenin kendisi kaçınılmaz olarak zamanla radyoaktif hale gelir, ancak uzun sürmez. 20-30 yıl dinlendirerek tekrar doğal fon radyasyonlu malzeme elde edebilirsiniz.

Yakıt sızıntısı yok. Her zaman yakıt sızıntısı riski vardır, ancak bir füzyon reaktörü o kadar az yakıt gerektirir ki, tam bir sızıntı bile çevreyi tehdit etmez. Örneğin, ITER'yi başlatmak, yalnızca yaklaşık 3 kg trityum ve biraz daha fazla döteryum gerektirecektir. En kötü senaryoda bile, bu miktardaki radyoaktif izotoplar suda ve havada hızla dağılır ve kimseye zarar vermez.

Silahlar yok. Bir termonükleer reaktör, atom silahları yapmak için kullanılabilecek maddeler üretmez. Bu nedenle, termonükleer enerjinin yayılmasının nükleer bir yarışa yol açması tehlikesi yoktur.

"Yapay güneş" nasıl aydınlatılır, genel olarak, geçen yüzyılın ellili yıllarında zaten belli oldu. Okyanusun her iki tarafında, kontrollü bir nükleer füzyon reaksiyonunun ana parametrelerini belirleyen hesaplamalar yapıldı. Yüz milyonlarca derecelik muazzam bir sıcaklıkta gerçekleşmelidir: bu koşullar altında elektronlar çekirdeklerinden koparılır. Bu nedenle, bu reaksiyona termonükleer füzyon da denir. Birbirleriyle baş döndürücü hızlarda çarpışan çıplak çekirdekler, Coulomb itme kuvvetinin üstesinden gelir ve birleşir.

Sorunlar ve çözümler

İlk on yılların coşkusu, görevin inanılmaz karmaşıklığına çarptı. Termonükleer füzyonun başlatılması, bir patlama şeklinde yapılırsa, nispeten kolay olduğu ortaya çıktı. Pasifik atolleri ve Semipalatinsk ve Novaya Zemlya'daki Sovyet test bölgeleri, savaş sonrası ilk on yılda bir termonükleer reaksiyonun tüm gücünü deneyimledi.

Ancak bu gücü kullanmak, imha dışında, bir termonükleer yükü patlatmaktan çok daha zordur. Elektrik üretmek için termonükleer enerjiyi kullanmak için, reaksiyon kontrollü bir şekilde gerçekleştirilmelidir, böylece enerji küçük parçalar halinde salınır.

Nasıl yapılır? Termonükleer reaksiyonun gerçekleştiği ortama plazma denir. Gaza benzer, sadece normal gazın aksine yüklü parçacıklardan oluşur. Ve yüklü parçacıkların davranışı elektrik ve manyetik alanlar kullanılarak kontrol edilebilir.

Bu nedenle, en genel haliyle, bir termonükleer reaktör, iletkenler ve mıknatıslar içinde sıkışmış bir plazma pıhtısıdır. Plazmanın kaçmasını engellerler ve bunu yaparken de atom çekirdekleri plazmanın içinde birleşir ve bunun sonucunda enerji açığa çıkar. Bu enerji, soğutucuyu ısıtmak için kullanılan reaktörden çıkarılmalı ve elektrik elde edilmelidir.

Tuzaklar ve sızıntılar

Plazma, dünyadaki insanların yüzleşmek zorunda olduğu en kaprisli madde olduğu ortaya çıktı. Bilim adamları bir tür plazma sızıntısını engellemenin bir yolunu her bulduğunda, yeni bir tane keşfedildi. 20. yüzyılın ikinci yarısının tamamı, herhangi bir önemli süre boyunca plazmayı reaktörün içinde tutmayı öğrenmeye harcandı. Bu sorun, yalnızca plazma davranışının matematiksel modellerini oluşturmayı mümkün kılan güçlü bilgisayarların ortaya çıktığı günümüzde ortaya çıkmaya başladı.

Plazma hapsi için hangi yöntemin en iyi olduğu konusunda hala bir fikir birliği yoktur. En ünlü model olan tokamak, içinde ve dışında plazma tuzakları bulunan halka şeklindeki bir vakum odasıdır (matematikçilerin dediği gibi, bir torus). Bu konfigürasyon, dünyanın en büyük ve en pahalı termonükleer tesisine sahip olacak - şu anda Fransa'nın güneyinde yapım aşamasında olan ITER reaktörü.

Tokamak'a ek olarak, termonükleer reaktörlerin birçok olası konfigürasyonu vardır: St. Petersburg Globus-M'de olduğu gibi küresel, tuhaf şekilde kavisli yıldızlaştırıcılar (Almanya'daki Max Planck Nükleer Fizik Enstitüsü'ndeki Wendelstein 7-X gibi), lazer Amerikan NIF gibi eylemsizlik tuzakları. Medyada ITER'den çok daha az ilgi görüyorlar, ancak aynı zamanda yüksek beklentileri de var.

Yıldızlaştırıcı tasarımının temelde tokamak'tan daha başarılı olduğunu düşünen bilim adamları var: inşa etmek daha ucuz ve plazma hapsi süresi çok daha fazlasını vaat ediyor. Enerji kazancı, "çörek" in doğasında bulunan parazitik etkilerden ve sızıntılardan kurtulmayı sağlayan plazma tuzağının geometrisi tarafından sağlanır. Lazer pompalı versiyonun da avantajları vardır.

İçlerindeki hidrojen yakıtı, lazer darbeleriyle gerekli sıcaklığa ısıtılır ve füzyon reaksiyonu neredeyse anında başlar. Bu tür tesislerdeki plazma atalet tarafından tutulur ve dağılmak için zamanı yoktur - her şey çok hızlı gerçekleşir.

Tüm dünya

Bugün dünyada var olan tüm termonükleer reaktörler deneysel makinelerdir. Hiçbiri elektrik üretmek için kullanılmamaktadır. Hiçbiri termonükleer reaksiyon için ana kriteri (Lawson kriteri) yerine getirmeyi henüz başaramadı: reaksiyonu oluşturmak için harcanandan daha fazla enerji elde etmek. Bu nedenle, dünya topluluğu devasa ITER projesine odaklandı. ITER'de Lawson kriteri karşılanırsa, teknolojiyi rafine etmek ve ticari raylara aktarmaya çalışmak mümkün olacaktır.

Dünyada hiçbir ülke tek başına ITER inşa edemez. Sadece 100 bin km'lik süper iletken kablolara ve ayrıca düzinelerce süper iletken mıknatısa ve plazmayı tutmak için dev bir merkezi solenoide, bir halkada yüksek vakum oluşturmak için bir sisteme, mıknatıslar için helyum soğutuculara, kontrolörlere, elektroniklere ihtiyaç duyar… proje 35 ülke ve daha fazlasını aynı anda binlerce bilimsel enstitü ve fabrika inşa ediyor.

Rusya, projeye katılan başlıca ülkelerden biridir; Rusya'da gelecekteki reaktörün 25 teknolojik sistemi tasarlanmakta ve inşa edilmektedir. Bunlar süper iletkenler, plazma parametrelerini ölçmek için sistemler, otomatik kontrolörler ve tokamak iç duvarının en sıcak kısmı olan saptırıcının bileşenleridir.

ITER'in piyasaya sürülmesinden sonra, Rus bilim adamları tüm deneysel verilere erişebilecekler. Bununla birlikte, ITER'nin yankısı sadece bilimde hissedilmeyecek: şimdi bazı bölgelerde Rusya'da daha önce olmayan üretim tesisleri ortaya çıktı. Örneğin proje başlamadan önce ülkemizde süperiletken malzemelerin endüstriyel üretimi yoktu ve tüm dünyada yılda sadece 15 ton üretiliyordu. Şimdi, sadece devlet şirketi "Rosatom" un Chepetsk Mekanik Fabrikasında yılda 60 ton üretmek mümkün.

Enerjinin geleceği ve ötesi

ITER'deki ilk plazmanın 2025'te alınması planlanıyor. Bütün dünya bu olayı bekliyor. Ancak bir, hatta en güçlü makine hepsi değildir. Tüm dünyada ve Rusya'da, nihayet plazmanın davranışını anlamaya ve onu kullanmanın en iyi yolunu bulmaya yardımcı olacak yeni termonükleer reaktörler inşa etmeye devam ediyorlar.

Zaten 2020'nin sonunda, Kurchatov Enstitüsü, nükleer ve termonükleer elementlerle hibrit bir kurulumun parçası olacak yeni bir tokamak T-15MD'yi piyasaya sürecek. Hibrit kurulumda termonükleer reaksiyon bölgesinde oluşan nötronlar, ağır çekirdeklerin - uranyum ve toryumun fisyonunu başlatmak için kullanılacaktır. Gelecekte, bu tür hibrit makineler, hem termal hem de hızlı nötronlar olmak üzere geleneksel nükleer reaktörler için yakıt üretmek için kullanılabilir.

toryum kurtuluş

Toryum çekirdeklerinde bozunmayı başlatmak için bir nötron kaynağı olarak termonükleer bir "çekirdek" kullanma olasılığı özellikle cezbedicidir. Gezegende uranyumdan daha fazla toryum var ve onun nükleer yakıt olarak kullanılması modern nükleer enerjinin birçok sorununu aynı anda çözüyor.

Bu nedenle, toryumun bozunma ürünleri askeri radyoaktif malzemeler üretmek için kullanılamaz. Böyle bir kullanım olasılığı, küçük ülkeleri kendi nükleer enerjilerini geliştirmekten alıkoyan politik bir faktör olarak hizmet eder. Toryum yakıtı bu sorunu kesin olarak çözer.

Plazma tuzakları sadece enerjide değil, aynı zamanda diğer barışçıl endüstrilerde - hatta uzayda bile faydalı olabilir. Şimdi Rosatom ve Kurchatov Enstitüsü, uzay araçları için elektrotsuz bir plazma roket motoru bileşenleri ve malzemelerin plazma modifikasyonu için sistemler üzerinde çalışıyor. Rusya'nın ITER projesine katılımı, endüstriyi teşvik ediyor ve bu da yeni Rus gelişmelerinin temelini oluşturan yeni endüstrilerin yaratılmasına yol açıyor.