พลังงานเทอร์โมนิวเคลียร์มีอนาคตหรือไม่?

2024 ผู้เขียน: Seth Attwood | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-16 16:17

เป็นเวลากว่าครึ่งศตวรรษที่นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามสร้างเครื่องจักรบนโลก ซึ่งก็เหมือนกับในลำไส้ของดวงดาว ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์เกิดขึ้น เทคโนโลยีของเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันที่ควบคุมได้จะทำให้มนุษยชาติเป็นแหล่งพลังงานสะอาดที่แทบจะไม่มีวันหมด นักวิทยาศาสตร์โซเวียตเป็นต้นกำเนิดของเทคโนโลยีนี้ และตอนนี้รัสเซียกำลังช่วยสร้างเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันที่ใหญ่ที่สุดในโลก

ส่วนต่าง ๆ ของนิวเคลียสของอะตอมถูกยึดเข้าด้วยกันด้วยแรงมหาศาล มีสองวิธีในการปล่อยมัน วิธีแรกคือการใช้พลังงานฟิชชันของนิวเคลียสหนักขนาดใหญ่จากปลายสุดของตารางธาตุ ได้แก่ ยูเรเนียม พลูโทเนียม ที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทั้งหมดบนโลก แหล่งที่มาของพลังงานคือการสลายตัวของนิวเคลียสหนักอย่างแม่นยำ

แต่ยังมีวิธีที่สองในการปลดปล่อยพลังงานของอะตอม: ไม่แบ่ง แต่ตรงกันข้าม รวมนิวเคลียส เมื่อรวมเข้าด้วยกัน พลังงานบางส่วนจะปล่อยพลังงานออกมามากกว่านิวเคลียสของยูเรเนียมที่ฟิชไซล์ ยิ่งนิวเคลียสเบาลง พลังงานก็จะยิ่งถูกปลดปล่อยออกมาในระหว่างการหลอมรวม (อย่างที่พวกเขาพูดกันว่า ฟิวชั่น) ดังนั้นวิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการรับพลังงานของนิวเคลียร์ฟิวชันคือการบังคับนิวเคลียสของธาตุที่เบาที่สุด - ไฮโดรเจน - และไอโซโทปของมันให้รวมกัน.

แฮนด์สตาร์: ข้อดีที่มั่นคง

นิวเคลียร์ฟิวชันถูกค้นพบในช่วงทศวรรษที่ 1930 โดยศึกษากระบวนการที่เกิดขึ้นภายในดวงดาว ปรากฎว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันเกิดขึ้นภายในดวงอาทิตย์แต่ละดวง และแสงและความร้อนเป็นผลผลิตของมัน ทันทีที่สิ่งนี้ชัดเจน นักวิทยาศาสตร์คิดว่าจะทำซ้ำสิ่งที่เกิดขึ้นในลำไส้ของดวงอาทิตย์บนโลกได้อย่างไร เมื่อเทียบกับแหล่งพลังงานที่รู้จักทั้งหมด "ดวงอาทิตย์ที่มือ" มีข้อดีหลายประการที่เถียงไม่ได้

อย่างแรก ไฮโดรเจนธรรมดาทำหน้าที่เป็นเชื้อเพลิง ซึ่งปริมาณสำรองบนโลกจะคงอยู่เป็นเวลาหลายพันปี แม้จะคำนึงถึงความจริงที่ว่าปฏิกิริยาไม่จำเป็นต้องใช้ไอโซโทปทั่วไป ดิวเทอเรียม น้ำหนึ่งแก้วก็เพียงพอที่จะจ่ายไฟฟ้าให้กับเมืองเล็กๆ เป็นเวลาหนึ่งสัปดาห์ ประการที่สอง ไม่เหมือนกับการเผาไหม้ของไฮโดรคาร์บอน ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันไม่ได้ผลิตผลิตภัณฑ์ที่เป็นพิษ - เฉพาะก๊าซฮีเลียมที่เป็นกลางเท่านั้น

ข้อดีของพลังงานฟิวชั่น

เชื้อเพลิงไม่ จำกัด เกือบ ในเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชัน ไอโซโทปไฮโดรเจน - ดิวเทอเรียมและทริเทียม - ทำงานเป็นเชื้อเพลิง คุณสามารถใช้ไอโซโทปฮีเลียม-3 ได้เช่นกัน มีดิวเทอเรียมจำนวนมากในน้ำทะเล - หาได้จากอิเล็กโทรไลซิสแบบธรรมดา และปริมาณสำรองในมหาสมุทรโลกจะมีอายุประมาณ 300 ล้านปีตามความต้องการพลังงานของมนุษยชาติในปัจจุบัน

มีไอโซโทปในธรรมชาติน้อยกว่ามาก มันถูกผลิตขึ้นเทียมในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ - แต่มีความจำเป็นน้อยมากสำหรับปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ แทบไม่มีฮีเลียม-3 บนโลก แต่มีจำนวนมากในดินบนดวงจันทร์ หากสักวันหนึ่งเรามีพลังงานแสนสาหัส มันอาจจะเป็นไปได้ที่จะบินไปยังดวงจันทร์เพื่อเป็นเชื้อเพลิง

ไม่มีการระเบิด ต้องใช้พลังงานจำนวนมากในการสร้างและรักษาปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ ทันทีที่การจ่ายพลังงานหยุด ปฏิกิริยาจะหยุด และพลาสมาที่ร้อนถึงหลายร้อยล้านองศาจะหยุดอยู่ ดังนั้น การเปิดเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันจึงยากกว่าการปิด

กัมมันตภาพรังสีต่ำ ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ทำให้เกิดฟลักซ์ของนิวตรอนที่ปล่อยออกมาจากกับดักแม่เหล็กและสะสมอยู่บนผนังของห้องสุญญากาศ ทำให้เกิดกัมมันตภาพรังสี ด้วยการสร้าง "ผ้าห่ม" พิเศษ (ผ้าห่ม) รอบปริมณฑลพลาสมา ซึ่งทำให้นิวตรอนช้าลง จึงสามารถปกป้องพื้นที่รอบเครื่องปฏิกรณ์ได้อย่างสมบูรณ์ ผ้าห่มจะกลายเป็นกัมมันตภาพรังสีอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้เมื่อเวลาผ่านไป แต่ไม่นาน ปล่อยทิ้งไว้ 20-30 ปี คุณจะได้วัสดุที่มีการแผ่รังสีพื้นหลังตามธรรมชาติอีกครั้ง

ไม่มีการรั่วไหลของเชื้อเพลิง มีความเสี่ยงต่อการรั่วไหลของเชื้อเพลิงอยู่เสมอ แต่เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันต้องการเชื้อเพลิงเพียงเล็กน้อย ซึ่งแม้แต่การรั่วไหลทั้งหมดก็ไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม ตัวอย่างเช่น การเปิดตัว ITER จะต้องใช้ไอโซโทปประมาณ 3 กิโลกรัมและดิวเทอเรียมอีกเล็กน้อย แม้แต่ในสถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุด ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีปริมาณนี้จะกระจายไปในน้ำและอากาศอย่างรวดเร็ว และไม่เป็นอันตรายต่อใคร

ไม่มีอาวุธ เครื่องปฏิกรณ์เทอร์โมนิวเคลียร์ไม่ได้ผลิตสารที่สามารถใช้ทำอาวุธปรมาณูได้ ดังนั้นจึงไม่มีอันตรายใดที่การแพร่กระจายของพลังงานแสนสาหัสจะนำไปสู่การแข่งขันนิวเคลียร์

วิธีการจุด "ดวงอาทิตย์เทียม" โดยทั่วไปนั้นชัดเจนแล้วในทศวรรษที่ห้าสิบของศตวรรษที่ผ่านมา ทั้งสองด้านของมหาสมุทร ทำการคำนวณที่กำหนดพารามิเตอร์หลักของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันแบบควบคุม มันควรจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิมหาศาลหลายร้อยล้านองศา: ภายใต้สภาวะเช่นนี้ อิเล็กตรอนจะถูกฉีกออกจากนิวเคลียสของพวกมัน ดังนั้นปฏิกิริยานี้จึงเรียกว่าเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชัน นิวเคลียสเปลือย ชนกันด้วยความเร็วเบรก เอาชนะการผลักและการรวมตัวของคูลอมบ์

ปัญหาและแนวทางแก้ไข

ความกระตือรือร้นในทศวรรษแรกทำให้งานมีความซับซ้อนอย่างไม่น่าเชื่อ การเปิดตัวเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันนั้นค่อนข้างง่าย - หากทำในรูปของการระเบิด อะทอลล์ในมหาสมุทรแปซิฟิกและไซต์ทดสอบของสหภาพโซเวียตในเซมิปาลาตินสค์และโนวายา เซมเลีย ประสบกับพลังเต็มรูปแบบของปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ในช่วงทศวรรษหลังสงครามครั้งแรก

แต่การใช้พลังนี้ ยกเว้นการทำลายล้าง ยากกว่าการระเบิดประจุเทอร์โมนิวเคลียร์ ในการใช้พลังงานเทอร์โมนิวเคลียร์เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ปฏิกิริยาจะต้องดำเนินการในลักษณะที่มีการควบคุมเพื่อให้พลังงานถูกปลดปล่อยออกมาเป็นส่วนเล็กๆ

ทำอย่างไร? สภาพแวดล้อมที่เกิดปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์เรียกว่าพลาสมา มันคล้ายกับก๊าซ แต่ต่างจากก๊าซปกติเท่านั้นที่ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุ และสามารถควบคุมพฤติกรรมของอนุภาคที่มีประจุได้โดยใช้สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก

ดังนั้น ในรูปแบบทั่วไปที่สุด เครื่องปฏิกรณ์เทอร์โมนิวเคลียร์จึงเป็นก้อนพลาสม่าที่ติดอยู่ในตัวนำและแม่เหล็ก พวกมันป้องกันไม่ให้พลาสมาหลบหนี และในขณะที่พวกมันทำเช่นนี้ นิวเคลียสของอะตอมจะรวมเข้ากับพลาสมา อันเป็นผลมาจากการที่พลังงานถูกปลดปล่อยออกมา พลังงานนี้จะต้องถูกกำจัดออกจากเครื่องปฏิกรณ์ ใช้เพื่อให้ความร้อนกับสารหล่อเย็น - และจะต้องได้รับไฟฟ้า

กับดักและการรั่วไหล

พลาสม่ากลายเป็นสารที่ไม่แน่นอนที่สุดที่ผู้คนบนโลกต้องเผชิญ ทุกครั้งที่นักวิทยาศาสตร์พบวิธีป้องกันการรั่วไหลของพลาสมาประเภทหนึ่ง ก็มีการค้นพบวิธีใหม่ ช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 ทั้งหมดถูกใช้ไปกับการเรียนรู้ที่จะเก็บพลาสมาไว้ในเครื่องปฏิกรณ์ในช่วงเวลาที่มีนัยสำคัญ ปัญหานี้เริ่มคลี่คลายในสมัยของเราเมื่อคอมพิวเตอร์ทรงพลังปรากฏขึ้นซึ่งทำให้สามารถสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของพฤติกรรมพลาสมาได้

ยังไม่มีความเห็นเป็นเอกฉันท์ว่าวิธีใดดีที่สุดสำหรับการกักขังพลาสมา โมเดลที่มีชื่อเสียงที่สุดคือ tokamak เป็นห้องสุญญากาศรูปโดนัท (ตามที่นักคณิตศาสตร์เรียกว่าพรู) พร้อมกับดักพลาสมาทั้งภายในและภายนอก การกำหนดค่านี้จะมีการติดตั้งเทอร์โมนิวเคลียร์ที่ใหญ่และแพงที่สุดในโลก - เครื่องปฏิกรณ์ ITER อยู่ระหว่างการก่อสร้างทางตอนใต้ของฝรั่งเศส

นอกจาก tokamak แล้ว ยังมีรูปแบบที่เป็นไปได้มากมายของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบเทอร์โมนิวเคลียร์: ทรงกลม เช่นเดียวกับใน St. Petersburg Globus-M ดาวฤกษ์โค้งมนที่แปลกประหลาด (เช่น Wendelstein 7-X ที่ Max Planck Institute of Nuclear Physics ในเยอรมนี) เลเซอร์ กับดักเฉื่อยเช่น American NIF พวกเขาได้รับความสนใจจากสื่อน้อยกว่า ITER แต่ก็มีความคาดหวังสูงเช่นกัน

มีนักวิทยาศาสตร์หลายคนที่คิดว่าการออกแบบดาวฤกษ์โดยพื้นฐานแล้วประสบความสำเร็จมากกว่าโทคามัค: การก่อสร้างนั้นถูกกว่า และเวลากักขังในพลาสมาสัญญาว่าจะให้อะไรมากกว่านั้นอีกมากการเพิ่มพลังงานนั้นมาจากรูปทรงเรขาคณิตของตัวดักพลาสมา ซึ่งช่วยให้เรากำจัดปรสิตและการรั่วไหลที่มีอยู่ใน "โดนัท" ได้ รุ่นปั๊มเลเซอร์ก็มีข้อดีเช่นกัน

เชื้อเพลิงไฮโดรเจนในนั้นจะถูกทำให้ร้อนจนถึงอุณหภูมิที่ต้องการโดยพัลส์เลเซอร์ และปฏิกิริยาฟิวชันจะเริ่มขึ้นเกือบจะในทันที พลาสม่าในการติดตั้งดังกล่าวถูกยึดโดยแรงเฉื่อยและไม่มีเวลากระจาย - ทุกอย่างเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว

ทั้งโลก

เครื่องปฏิกรณ์เทอร์โมนิวเคลียร์ทั้งหมดที่มีอยู่ในโลกปัจจุบันเป็นเครื่องทดลอง ไม่มีสิ่งใดที่ใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้า ยังไม่มีใครประสบความสำเร็จในการปฏิบัติตามเกณฑ์หลักสำหรับปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ (เกณฑ์ของลอว์สัน): เพื่อให้ได้พลังงานมากกว่าที่ใช้ไปในการสร้างปฏิกิริยา ดังนั้น ประชาคมโลกจึงมุ่งเน้นไปที่โครงการ ITER ขนาดใหญ่ หากเป็นไปตามเกณฑ์ของ Lawson ที่ ITER จะสามารถปรับแต่งเทคโนโลยีและพยายามถ่ายโอนไปยังรางเชิงพาณิชย์ได้

ไม่มีประเทศใดในโลกสามารถสร้าง ITER ได้เพียงลำพัง ต้องใช้สายไฟตัวนำยิ่งยวดเพียง 100,000 กม. และยังมีแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดหลายสิบตัวและโซลินอยด์กลางขนาดยักษ์สำหรับจับพลาสม่า ระบบสำหรับสร้างสุญญากาศสูงในวงแหวน ฮีเลียมคูลเลอร์สำหรับแม่เหล็ก ตัวควบคุม อิเล็กทรอนิกส์ … ดังนั้น โครงการกำลังสร้าง 35 ประเทศและอีกหลายพันสถาบันและโรงงานทางวิทยาศาสตร์ในคราวเดียว

รัสเซียเป็นหนึ่งในประเทศหลักที่เข้าร่วมโครงการ ในรัสเซีย 25 ระบบเทคโนโลยีของเครื่องปฏิกรณ์ในอนาคตกำลังได้รับการออกแบบและสร้าง เหล่านี้คือตัวนำยิ่งยวด ระบบสำหรับวัดพารามิเตอร์พลาสมา ตัวควบคุมอัตโนมัติ และส่วนประกอบของไดเวอร์เตอร์ ซึ่งเป็นส่วนที่ร้อนแรงที่สุดของผนังด้านในของโทคามัก

หลังจากการเปิดตัว ITER นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียจะสามารถเข้าถึงข้อมูลการทดลองทั้งหมดได้ อย่างไรก็ตามเสียงสะท้อนของ ITER จะรู้สึกได้ไม่เพียง แต่ในวิทยาศาสตร์เท่านั้น: ขณะนี้มีโรงงานผลิตปรากฏขึ้นในบางภูมิภาคซึ่งไม่เคยมีมาก่อนในรัสเซีย ตัวอย่างเช่น ก่อนเริ่มโครงการ ประเทศของเราไม่มีการผลิตวัสดุตัวนำยิ่งยวดทางอุตสาหกรรมในประเทศของเรา และผลิตเพียง 15 ตันต่อปีเท่านั้นทั่วโลก ตอนนี้ที่โรงงานเครื่องจักร Chepetsk ของ บริษัท ของรัฐ "Rosatom" เท่านั้นที่สามารถผลิตได้ 60 ตันต่อปี

อนาคตของพลังงานและอื่น ๆ

พลาสมาเครื่องแรกที่ ITER มีกำหนดจะได้รับในปี 2025 ทั้งโลกกำลังรอเหตุการณ์นี้ แต่เครื่องหนึ่ง แม้แต่เครื่องที่ทรงพลังที่สุดก็ไม่ใช่ทั้งหมด ทั่วโลกและในรัสเซีย พวกเขายังคงสร้างเครื่องปฏิกรณ์เทอร์โมนิวเคลียร์ใหม่ต่อไป ซึ่งจะช่วยให้เข้าใจพฤติกรรมของพลาสมาในที่สุดและค้นหาวิธีที่ดีที่สุดในการใช้งาน

ณ สิ้นปี 2020 สถาบัน Kurchatov กำลังจะเปิดตัวโทคามัค T-15MD ใหม่ ซึ่งจะกลายเป็นส่วนหนึ่งของการติดตั้งแบบไฮบริดที่มีองค์ประกอบนิวเคลียร์และเทอร์โมนิวเคลียร์ นิวตรอนซึ่งก่อตัวในเขตปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ในการติดตั้งแบบไฮบริดจะถูกนำมาใช้เพื่อเริ่มต้นการแตกตัวของนิวเคลียสหนัก - ยูเรเนียมและทอเรียม ในอนาคต เครื่องจักรไฮบริดดังกล่าวจะสามารถนำมาใช้ผลิตเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบธรรมดาได้ ทั้งแบบความร้อนและแบบนิวตรอนแบบเร็ว

ความรอดของทอเรียม

สิ่งที่น่าดึงดูดใจเป็นพิเศษคือโอกาสที่จะใช้ "นิวเคลียส" ที่เทอร์โมนิวเคลียร์เป็นแหล่งของนิวตรอนเพื่อเริ่มต้นการสลายตัวในนิวเคลียสทอเรียม มีทอเรียมบนโลกใบนี้มากกว่ายูเรเนียม และการใช้ทอเรียมเป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์สามารถแก้ปัญหาหลายประการของพลังงานนิวเคลียร์สมัยใหม่ได้ในคราวเดียว

ดังนั้นผลิตภัณฑ์การสลายตัวของทอเรียมจึงไม่สามารถนำมาใช้ในการผลิตวัสดุกัมมันตภาพรังสีทางทหารได้ ความเป็นไปได้ของการใช้ดังกล่าวเป็นปัจจัยทางการเมืองที่ทำให้ประเทศเล็ก ๆ ไม่สามารถพัฒนาพลังงานนิวเคลียร์ของตนเองได้ เชื้อเพลิงทอเรียมแก้ปัญหานี้ได้ทุกครั้ง

กับดักพลาสม่ามีประโยชน์ไม่เพียงแต่ในด้านพลังงานเท่านั้น แต่ยังมีประโยชน์ในอุตสาหกรรมอื่นๆ ที่สงบสุขด้วย แม้กระทั่งในอวกาศ ขณะนี้ Rosatom และสถาบัน Kurchatov กำลังทำงานเกี่ยวกับส่วนประกอบสำหรับเครื่องยนต์จรวดพลาสม่าแบบไม่ใช้ไฟฟ้าสำหรับยานอวกาศและระบบสำหรับการดัดแปลงวัสดุในพลาสมาการมีส่วนร่วมของรัสเซียในโครงการ ITER กระตุ้นอุตสาหกรรม ซึ่งนำไปสู่การสร้างอุตสาหกรรมใหม่ ซึ่งกำลังสร้างพื้นฐานสำหรับการพัฒนาใหม่ของรัสเซียอยู่แล้ว