Когда мы думаем о долгосрочном решении наших энергетических потребностей, ни один из сегодняшних вариантов не является настолько хорошим.
Плазма в центре этого термоядерного реактора настолько горячая, что не излучает свет; видна только более холодная плазма, расположенная у стен. Можно увидеть намеки на магнитное взаимодействие между горячей и холодной плазмой. Изображение предоставлено: Национальный исследовательский институт термоядерного синтеза, Корея.
Когда мы думаем о долгосрочном решении наших энергетических потребностей, ни один из сегодняшних вариантов не является настолько хорошим.
«Я хотел бы, чтобы ядерный синтез стал практическим источником энергии. Это обеспечит неисчерпаемый запас энергии без загрязнения окружающей среды или глобального потепления».-Стивен Хокинг
Давайте представим на мгновение, что климат не имеет значения. Что мы полностью игнорируем связь между углекислым газом, атмосферой Земли, парниковым эффектом, глобальными температурами, подкислением океана и повышением уровня моря. С долгосрочной точки зрения нам все еще нужно планировать наше энергетическое будущее. Ископаемое топливо, которое сегодня составляет большую часть мировой энергии, является обильным, но фундаментально ограниченным ресурсом. Возобновляемые источники, такие как ветер, солнечная энергия и гидроэлектроэнергия, имеют другие ограничения: они непоследовательны. Однако есть долгосрочное решение, которое преодолевает все эти проблемы: ядерный синтез.
Даже самые передовые химические реакции, такие как сжигание термита, показанные здесь, производят примерно в миллион раз меньше энергии на единицу массы по сравнению с ядерной реакцией. .
Может показаться, что проблема ископаемого топлива очевидна: мы не можем просто производить больше угля, нефти или природного газа, когда наши нынешние запасы иссякают. Мы сжигаем почти каждую каплю, до которой можем дотянуться, для продолжения уже три столетия, и эта проблема будет только усугубляться. Несмотря на то, что у нас есть еще сотни лет, прежде чем мы все иссякнем, количество не безгранично. Есть и законные экологические опасения, не связанные с потеплением.
Даже если мы проигнорируем проблему CO2-глобального изменения климата, ископаемое топливо ограничено в количестве, содержащемся на Земле, а также его добыча, транспортировка, переработка и сжигание вызывают большое количество загрязнения.
Сжигание ископаемого топлива приводит к загрязнению окружающей среды, поскольку эти источники топлива на основе углерода содержат в своем химическом составе гораздо больше, чем просто углерод и водород, и их сжигание (для выработки энергии) также сжигает все примеси, выбрасывая их в воздух. Кроме того, процесс очистки и/или экстракции является грязным, опасным и может загрязнить грунтовые воды и целые водоемы, такие как реки и озера.
Ветряные электростанции, как и многие другие источники возобновляемой энергии, непоследовательно и неконтролируемо зависят от окружающей среды.
С другой стороны, возобновляемые источники энергии непостоянны даже в своих лучших проявлениях. Попробуйте включить электросеть в засушливое, пасмурное (или ночное) и засушливое время, и вы обречены на неудачу. Огромные объемы аккумуляторных батарей, необходимые для питания даже одного города в условиях недостаточного производства энергии, пугают. В то же время последствия загрязнения, связанные с созданием солнечных батарей, производством ветряных или гидроэлектрических турбин и (особенно) с созданием материалов, необходимых для хранения большого количества энергии, также огромны. Даже то, что рекламируется как «зеленая энергия», не лишено недостатков.
Реактор ядерный экспериментальный РА-6 (Республика Аргентина 6), в марте. Голубое свечение, известное как черенковское излучение, возникает из-за испускаемых в воде частиц со скоростью, превышающей скорость света.
Но всегда есть ядерный вариант. Одного этого слова достаточно, чтобы вызвать бурную реакцию у многих людей: ядерный. Идея ядерных бомб, радиоактивных осадков, расплавов и катастроф вроде Чернобыля, Три-Майл-Айленда и Фукусимы — не говоря уже об остаточном страхе времен холодной войны — делает «НИМБИ» позицией по умолчанию для большого числа людей. И это опасение не совсем безосновательно, когда дело доходит до ядерного деления. Но расщепление — не единственная игра в городе.
В 1952 году Соединенные Штаты взорвали Айви Майк, первую продемонстрированную ядерную реакцию синтеза, произошедшую на Земле. В то время как ядерное деление включает в себя использование тяжелых, нестабильных (и уже радиоактивных) элементов, таких как торий, уран или плутоний, инициирование реакции, которая заставляет их разделяться на более мелкие, также радиоактивные компоненты, выделяющие энергию, ничто, участвующее в синтезе, вообще не является радиоактивным. Реагенты — это легкие стабильные элементы, такие как изотопы водорода, гелия или лития; продукты также легкие и стабильные, такие как гелий, литий, бериллий или бор.
До сих пор деление происходило либо в неконтролируемой, либо в контролируемой среде, с легкостью преодолевая точку безубыточности (где выход энергии больше, чем вход), в то время как синтез никогда не достигал точки безубыточности в контролируемых условиях.
Но появились четыре основные возможности.
Термоядерный синтез с инерционным удержанием. Мы берем шарик водорода — топливо для этой реакции синтеза — и сжимаем его с помощью множества лазеров, окружающих шарик. Сжатие заставляет ядра водорода сливаться в более тяжелые элементы, такие как гелий, и высвобождает взрыв энергии.
Слияние с магнитным удержанием. Вместо использования механического сжатия, почему бы не позволить электромагнитной силе выполнять ограничивающую работу? Магнитные поля удерживают перегретую плазму из легкоплавкого материала, а реакции ядерного синтеза происходят внутри реактора типа Токамак.
Слияние намагниченных мишеней. В MTF создается и магнитно удерживается перегретая плазма, но поршни, окружающие ее, сжимают топливо внутри, создавая взрыв ядерного синтеза внутри.
Подкритический синтез. Вместо того, чтобы пытаться запустить синтез с помощью тепла или инерции, в подкритическом синтезе используется докритическая реакция деления — с нулевой вероятностью расплавления — для запуска реакции синтеза.
Первые два изучаются уже несколько десятилетий, и они наиболее близки к заветной точке безубыточности. Но последние два являются новыми, а последний привлек много новых инвесторов и стартапов в этом десятилетии.
Предварительные усилители National Ignition Facility — это первый шаг к увеличению энергии лазерных лучей, направляющихся к целевой камере. NIF недавно добился выстрела мощностью 500 тераватт — в 1000 раз больше энергии, чем потребляют Соединенные Штаты в любой момент времени.
Даже если вы отвергаете науку о климате, проблема энергоснабжения мира, и сделать это экологически безопасным способом, является одной из самых сложных в долгосрочной перспективе, стоящих перед человечеством. Ядерный синтез как источник энергии никогда не получал необходимого финансирования для его развития, но это единственное физически возможное решение наших энергетических потребностей без очевидных недостатков. Если мы сможем выкинуть из головы идею о том, что «ядерный» означает «потенциал катастрофы», люди со всего политического спектра, возможно, смогут собраться вместе и решить наши энергетические и экологические потребности одним единым ударом. Если вы считаете, что правительство должно инвестировать в науку с национальной и глобальной отдачей, вы не можете добиться большего, чем рентабельность инвестиций, которую можно получить от успешных исследований в области термоядерного синтеза. Физика работает прекрасно;
