Американський фізик знайшов вирішення світової енергетичної кризи

Технологію першого в світі ефективного реактора керованого термоядерного синтезупредставив американський стартап Agni Energy.

У світі фізики є старий жарт про те, що комерційна установка керованого термоядерного синтезу стане реальністю не більше, ніж через 30 років. І цьому жарту вже років 80, іронізує оглядач порталу LiveScience Ясмін Саплакоглу.

Але співробітники молодої американської компанії Agni Energy впевнені, що їх розробка побачить світ набагато раніше.

Запозичуючи ідеї з існуючих розробок у сфері термоядерного синтезу, а також концепцію, яка виникла давно, але вважалася неробочою, американські фізики пропонують нову технологію, яка може змінити вигляд світової енергетики.

Зокрема, творці стверджують, що установка буде в 10 разів ефективніша, ніж наявні ядерні реактори.

Існуючі ядерні реактори використовують процес розщеплення атомів, під час якого ядра атомів діляться на 2-3 ядра з меншими масами, вони називаються осколками поділу. У цього процесу також є побічні продукти – альфа-частинки, нейтрони і гамма-кванти.

Власне, суть процесу в тому, що при розподілі важких ядер виділяється велика кількість кінетичної енергії, яку на ядерних електростанціях перетворюють на електрику. Проблема цього процесу в тому, що побічні радіоактивні відходи необхідно збирати, а потім десь зберігати.

Термоядерний синтез же навпаки передбачає не поділ, а об’єднання атомів. Простіше кажучи, отримання важких атомних ядер з легших.

Суть процесу полягає ось у чому. Атомні ядра складаються з протонів і нейтронів, якиі утримує разом одна з фундаментальних сил природи – так звана сильна взаємодія.

При зміні складу протонів і нейтронів, яка має місце при перетворенні легких ядер на важкі, виділяється кінетична енергія, яку можна перетворити на теплову або електричну, як це робиться на сучасних ядерних енергетичних станціях.

Відмінність в тому, що термоядерний синтез (в теорії) дозволяє отримати більше енергії і при цьому не супроводжується виділенням побічних радіоактивних продуктів.

Читайте также:  Ученые впервые получили светящуюся антиматерию

І цей процес не є винаходом людини. Всесвіт активно і повсюдно використовує термоядерні реактори. Найближчим з них для нас є Сонце.

Основна проблема в тому, що досі вченим не вдавалося створити такий реактор термоядерного синтезу, щоб кількість енергії, що виділялася в результаті реакції, була більшою за ту кількість, яка потрібна, власне, для здійснення самої реакції.

Більшість термоядерних реакторів використовують один з двох методів роботи. Це або розігрів плазми (газу, що містить іони) до екстремально високих температур за допомогою лазерних променів, або стиснення плазми за допомогою потужних магнітів до неймовірно високої щільності.

Обидва методи не позбавлені вад, констатує Демітрі Гопкінс, старший науковий співробітник Agni Energy, стартапу з міста Олімпія (штат Вашингтон). За його словами, лазери вимагають колосальної кількості енергії, а у випадку з магнітами і енергетичною плазмою складно втримати атоми стабільними.

Молодий фізик (Гопкінсу всього 25) вирішив реанімувати забуту ідею, про використання одночасно електричного і магнітного поля для створення гібридної установки термоядерного синтезу.

Вчені не намагаються домогтися синтезу ядер з одного джерела, натомість потік з атомів спрямовується на ціль – твердий об’єкт. В результаті атоми, що містяться в потоці, синтезуються з атомами, що містяться в “мішені”.

На цей момент планується, що потік буде складатися з іонів дейтерію або важких іонів водню з одним нейтроном, а “мішень” буде складатися з іонів тритію або важких іонів водню з двома нейтронами.

Управління потоком іонів здійснюється за допомогою магнітних лінз. І коли потік вдаряє по “мішені”, відбувається синтез двох типів атомів водню, який супроводжується викидом високоенергетичних нейтронів, які можна використовувати для роботи парової турбіни, яка генерує електрику.

Внаслідок реакції виділяється гелій (нетоксичний газ), а також незначна кількість тритію з низьким рівнем радіоактивності. Його можна повторно використовувати як паливо, уточнює Гопкінс.

Читайте также:  Самый быстро тающий ледник Антарктиды подогревается вулканическим теплом

За словами Гопкінса, ця модель використовує водень, легкий елемент, тому що синтез легких елементів дає найбільше енергії.

Це ще одну ключову відмінність термоядерного синтезу від традиційного розщеплення атомів у ядерних реакторах, констатує американський фізик Джемс Конка. Для традиційних АЕС чим важче ядра, тим більше виділяється енергії. У випадку з термоядерним синтезом все навпаки, підкреслює Конка.

Сама ідея такого процесу була проголошена ​​ще в 1930-х, але тоді її визнали неефективною оскільки вважалося, що для здійснення реакції потрібно більше енергії, ніж реакція дасть в результаті. Крім того, фізики того часу були переконані, що в результаті зіткнення потоку і “мішені” занадто багато енергії буде розсіюватися.

Гопкінс вважає, що цю проблему можна вирішити, якщо можна особливим чином “налаштувати” атоми для потоку і “мішені” таким чином, щоб оптимізувати реакцію синтезу.

Якщо “погратися” з поляризацією спіна атома, можна змінити напрямок обертання частинок, стверджують дослідники. Це дозволить подолати Кулонівський бар’єр. Цим терміном позначають потенційний бар’єр, який необхідно подолати позитивно зарядженим ядрам для того, щоб наблизитися одне до одного. Адже відповідно до закону Кулона, позитивно заряджені тіла відштовхуються одне від одного.

Якщо ж атоми будуть “налаштовані” таким чином, щоб долати Кулонівський бар’єр, то відштовхування атомів послабшає, і в результаті реакції буде виділятися більша кількість енергії, яку можна ефективно використовувати.

У процесі своїх експериментів Гопкінс зібрав експериментальну установку в 2011 році і з’ясував, що поляризація спіна атома дійсно підвищує здатність частинок до подолання Кулонівського бар’єру.

Теоретично, це і є та сама революція в сфері термоядерного синтезу, яку всі так чекають ось вже багато десятиліть.

Саме Кулонівський бар’єр є однією з перешкод для термоядерної реакції в плазмі. Ядерні сили (що відповідають за притягання протонів і нейтронів) стають більше сили кулонівського відштовхування тільки за дуже високих температур (як в ядрі Сонця, наприклад). Тоді термоядерна реакція може стати самопідтримуваною.

Читайте также:  Физикам удалось открыть пятую силу природы

Досі короткострокові термоядерні реакції були можливі лише на надпотужних реакторах, здатних розігріти плазму до температури в мільйони кельвінів. А на цей процес йде колосальна кількість енергії. Що і робить процес комерційно невигідним навіть у перспективі.

Якщо Гопкінс і його колеги мають рацію, то у них в руках – вирішення проблеми.

Гопкінс стверджує, що ефективність придуманого ним реактора в 16 млн разів вища, ніж у традиційних теплоелектростанцій, що працюють на вугіллі, і в 10 разів вища, ніж у сучасних ядерних реакторів.

І мова йде не про 30 років у черговий раз, впевнений Гопкінс. Це станеться набагато раніше. І це буде зміна світової енергетичної парадигми, переконаний молодий фізик.

Далеко не всі впевнені в тому, що таке рішення може виявитися дійсно ефективним. Зокрема, деякі фізики вважають, що ця модель працездатна тільки на установках малих розмірів.

На думку Дональда Спонга, американського фізика з університету Тенессі, в промислових масштабах буде неможливо отримувати від такої реакції більше енергії, ніж буде витрачено на її здійснення. З цілком фундаментальних причин, підкреслює Спонг, вказуючи на те, що саме собою створення атомів з “екзотичною спін-поляризацією” буде вельми енерговитратним заходом.

На думку Джона Фостера, ядерного фізика з університету Мічигану, рішення, запропоноване Agni Energy, не є неможливим. Але втілити його в життя буде досить непросто. При влучанні потоку в “мішень” рівень розсіювання частинок буде дуже високий, попереджає Фостер.

Він підтверджує гіпотезу Гопкінса про те, що спін-поляризація може істотно підвищити ефективність процесу, але весь “фокус” в тому, щоб здійснювати це на практиці й у великих масштабах.

Читайте также