Фізик пояснює різницю між ядерним синтезом і поділом

У всьому світі на ядерну енергетику припадає близько 10 відсотків виробництва електроенергії. У деяких країнах, таких як Франція, ця цифра становить майже 70 відсотків. Великі технологічні компанії, такі як Google, також звертаються до ядерної енергетики, щоб задовольнити величезні потреби своїх центрів обробки даних.

Джерелом всієї ядерної енергії є енергія зв’язку атома. Енергія, що зберігається в атомі, може бути вивільнена двома основними способами: поділом або синтезом. Поділ передбачає поділ великих важких атомів на менші, легші. Синтез полягає в об’єднанні маленьких атомів у більші.

Обидва процеси виділяють багато енергії. Наприклад, один ядерний розпад U235, ізотопу урану, який зазвичай використовується як паливо на більшості електростанцій, виробляє у понад 6 мільйонів разів більше енергії, ніж одна хімічна реакція з найчистішим вугіллям. Це означає, що вони є чудовими процесами для виробництва енергії.

Поділ — це процес, що лежить в основі кожної атомної електростанції, яка працює сьогодні. Він відбувається, коли крихітна субатомна частинка, що називається нейтроном, вдаряється об атом урану, розщеплюючи його. Це вивільняє більше нейтронів, які продовжують зіштовхуватися з іншими атомами, запускаючи ланцюгову ядерну реакцію. Це, своєю чергою, вивільняє величезну кількість енергії.

Щоб перетворити цю енергію на електрику, встановлюється теплообмінник, який перетворює воду на пару, що приводить в рух турбіну для виробництва електроенергії. Реакцією поділу можна керувати, пригнічуючи надходження нейтронів. Це досягається шляхом введення «стрижнів управління», які поглинають нейтрони.

Історично ядерні аварії, такі як Чорнобильська, траплялися тоді, коли стрижні не входили в зачеплення і не гасили подачу нейтронів, і/або порушувалася циркуляція охолоджуючої рідини.

Конструкції так званого «третього покоління» покращують попередні конструкції шляхом включення пасивних або вроджених функцій безпеки, які не потребують активного контролю або втручання людини, щоб уникнути аварій у разі несправності. Ці функції можуть покладатися на перепади тиску, гравітацію, природну конвекцію або природну реакцію матеріалів на високі температури.

Першими реакторами третього покоління були вдосконалені реактори з киплячою водою Kashiwazaki 6 і 7 в Японії. Невирішеною проблемою поділу є те, що побічні продукти реакції залишаються радіоактивними протягом тривалого часу, порядку тисяч років. Якщо їх переробити, то джерело палива і відходи можуть бути використані для створення ядерної зброї.

Енергія поділу — це продемонстрована технологія. Її також можна масштабувати від великих (найбільшою є атомна електростанція Касівазакі-Каріва в Японії потужністю 7,97 гігават) до малих і середніх реакторів, які виробляють близько 150 мегават електроенергії, що використовуються на кораблях або атомних підводних човнах.

Саме такими реакторами будуть оснащені вісім атомних підводних човнів Австралії, обіцяних в рамках тристороннього партнерства з Великою Британією і Сполученими Штатами у сфері безпеки.

Що таке термоядерний синтез?

Термоядерний синтез — це процес, який живить Сонце та зірки. Це процес, протилежний до поділу. Він відбувається, коли атоми зливаються разом. Найпростіша реакція, яку можна ініціювати в лабораторії, — це синтез ізотопів водню, дейтерію та тритію. На одиницю маси реакція виробляє в 4 рази більше енергії, ніж поділ U235.

Паливний іон дейтерій неймовірно поширений на Землі та у Всесвіті. Тритій радіоактивний з періодом напіврозпаду 12 років, тому дуже рідкісний на Землі. Всесвіту 13,8 мільярда років; єдині ізотопи легких ядер (водню, гелію та літію), що зустрічаються в природі, — це ті, що стабільні в таких часових масштабах.

На термоядерній електростанції тритій буде вироблятися з використанням «літієвої ковдри». Це суцільна літієва стіна, в якій нейтрони термоядерного синтезу сповільнюються і в кінцевому підсумку реагують з утворенням тритію.

Однак наразі вченим дуже складно створити реакцію термоядерного синтезу за межами лабораторії. Це пов’язано з тим, що для термоядерного синтезу потрібні неймовірно високі температури: оптимальні умови — 150 мільйонів градусів за Цельсієм. За таких температур іони палива перебувають у стані плазми, де електрони та (ядерні) іони дисоціюють. Побічним продуктом цього процесу є не радіоактивний, а інертний газ — гелій.

Провідний технологічний шлях для демонстрації сталого термоядерного синтезу називається «тороїдальне магнітне утримання». Це коли плазму за екстремальних температур утримують у дуже великій магнітній пляшці у формі пончика.

На відміну від поділу, цей технологічний шлях вимагає безперервного зовнішнього нагрівання для досягнення умов синтезу і сильного обмежувального поля. Припиніть будь-яку з цих умов, і реакція зупиниться. Проблема полягає не в неконтрольованому розплавленні, а в тому, щоб реакція взагалі відбулася.

Основною невирішеною проблемою тороїдального термоядерного синтезу з магнітним утриманням, яка привертає найбільший інтерес дослідників, є демонстрація палаючої самонагрітої плазми. Це коли теплова енергія, вироблена самою реакцією, є первинною. Це є метою державного багатонаціонального проекту ITER, найбільшого у світі термоядерного експерименту, і приватного експерименту SPARC в Массачусетському технологічному інституті, що фінансується державою.

Однак більшість наукової спільноти сходиться на думці, що термоядерний синтез не стане комерційно життєздатним щонайменше до 2050 року.

Кліматичне рішення?

Мене часто запитують, чи може ядерна енергетика врятувати Землю від зміни клімату. У мене багато колег, які займаються кліматологією, і моя покійна дружина була відомим кліматологом. Наука однозначна: зупинити зміну клімату вже надто пізно. Світ повинен зробити все можливе, щоб зменшити викиди вуглекислого газу та мінімізувати катастрофічні збитки, і зробити це потрібно було ще кілька десятиліть тому.

Для планети розщеплення є частиною цього глобального рішення, разом з широким розповсюдженням і впровадженням відновлюваних джерел енергії, таких як вітер і сонце. У більш віддаленій перспективі можна сподіватися, що термоядерний синтез може замінити поділ. Запасів палива набагато більше і вони розподілені повсюдно, проблема відходів на порядки менша за обсягом і в часі, а технологія не може бути використана як зброя.