Wiemy, że ludzka ciekawość kontrolowania wszystkiego doprowadziła do odkrycia wielkich postępów technologicznych. Jednym z wielkich problemów, przed którymi stoi człowiek w tym stuleciu, jest kryzys energetyczny. Oznacza to, że należy opracować wszystkie niezbędne aspekty, aby przeprowadzić syntezę jądrową. The chińskie sztuczne słońce jest blisko osiągnięcia syntezy jądrowej i rozwiązania problemów związanych z kryzysem energetycznym.
W tym artykule opowiemy, czym jest sztuczne słońce w Chinach, jakie są jego cechy i jak ważne jest dla światowego paradygmatu energetycznego.
Czym jest sztuczne słońce w Chinach
Nazywają to sztucznym słońcem, ponieważ wykorzystuje to samo źródło energii, co nasza najbliższa gwiazda. Jest to jeden z najbardziej obiecujących postępów w nauce, o technicznej nazwie zwanej fuzją: niemal czyste źródło energii, do którego od dziesięcioleci dążą wielkie mocarstwa. Do tego stopnia, że pięćdziesiąt lat temu mówiono, że zostało ich tylko pięćdziesięciu...
Wydaje się jednak, że jesteśmy coraz bliżej. Między innymi dlatego, że właśnie Chiny pobiły rekord najdłuższej reakcji syntezy jądrowej: 120 milionów stopni Celsjusza przez 101 sekund.
Najpierw wyjaśnimy, czym naprawdę jest synteza jądrowa. Konwencjonalne elektrownie jądrowe działają na zasadzie uwalniania energii z rozszczepienia. To znaczy „złamać” atom. Tak więc wzbogacony uran bombardowany neutronami jest używany do rozpoczęcia jądrowej reakcji łańcuchowej.
Fabryki te działają od ponad pół wieku. Konkretny, Pierwsza elektrownia jądrowa podłączona do sieci została ukończona w Związku Radzieckim w 1954 roku. Jednak, jak pokazuje seria katastrof jądrowych w Czarnobylu, nie są one pozbawione ryzyka.
Z jednej strony mamy do czynienia z niekontrolowanymi reakcjami łańcuchowymi. Chociaż konsekwencje były katastrofalne, takie zdarzenia są wyjątkowo nienormalne. Prawdziwym problemem związanym z rozszczepieniem jądrowym są wytwarzane przez nie odpady, które mogą pozostawać niebezpiecznie radioaktywne przez setki lat.
I odwrotnie, fuzja jądrowa lub sztuczne słońce oferują możliwość bezpiecznego generowania energii z niewielkimi lub zerowymi stratami. Dzięki niskiemu śladowi węglowemu może być potężnym narzędziem w walce ze zmianami klimatycznymi.
Jak osiąga się syntezę jądrową
Jak to osiągnąć? Zasadniczo łączy dwa lekkie jądra w jedno ciężkie jądro, poddając je ogromnemu ciśnieniu i ekstremalnie wysokim temperaturom. Reakcja uwalnia również energię, ponieważ powstałe jądra są mniej masywne niż same dwa pierwsze jądra.
Zazwyczaj paliwo używane do tworzenia sztucznego słońca opiera się na izotopach deuteru i trytu. Deuter można wyekstrahować z wody morskiej, a tryt z litu.. Oba pierwiastki występują w absolutnej obfitości, prawie nieskończonej w porównaniu z uranem. Na przykład deuter w jednym litrze wody morskiej może wytworzyć energię równoważną trzystu litrom ropy.
Aby zrozumieć energię uwalnianą podczas syntezy jądrowej, wystarczy wziąć pod uwagę, że kilka gramów paliwa może wygenerować teradżule: wystarczy na zaspokojenie potrzeb energetycznych osoby w kraju rozwiniętym przez sześć lat.
Reakcje fuzji również wytwarzają odpady. Większość to hel, gaz obojętny. Jednak wytwarzane są również niewielkie ilości odpadów promieniotwórczych pochodzących z trytu.
Na szczęście rozpadają się na długo przed ich odpowiednikami z rozszczepienia. W szczególności można je ponownie wykorzystać lub poddać recyklingowi w mniej niż sto lat. Z drugiej strony strumień neutronów, który występuje podczas syntezy jądrowej, wpływa na otaczające materiały, które stopniowo stają się radioaktywne bez ochrony. Dlatego, kolejnym kluczowym aspektem będzie ekranowanie konstrukcji reaktora.
Jak działa sztuczne słońce w Chinach
Ok, mamy już nasze paliwa trytowe i deuterowe oraz podstawowe zasady działania. Ale jak dokładnie przebiega ten proces? Tutaj więc zaczynają się pułapki przy przejściu od teorii do praktyki.
Zgodnie z przewidywaniami konieczne było zastosowanie bardzo wysokich ciśnień i temperatur. Wystarczająco dużo, aby zamienić paliwo w niezwykle gorącą plazmę. Atomy muszą zderzać się ze sobą w temperaturze co najmniej 100 milionów stopni Celsjusza, z wystarczającym ciśnieniem, aby zbliżyć je tak blisko, że przyciąganie jądrowe przezwycięża odpychanie elektryczne.
Ustanowienie zgrubnej równoległości jest jak pokonanie odpychania dwóch magnesów o tej samej biegunowości, dopóki nie będzie można ich skleić. Aby osiągnąć te ekstremalne warunki, do skupienia paliwa wykorzystywane są pola magnetyczne i potężne wiązki laserowe. Po osiągnięciu stanu hipergorącej plazmy paliwo musi być nadal dodawane, starając się kontrolować emisję wysokiej temperatury bez niszczenia reaktora.
Oczywiście, nie ma na świecie materiału, który mógłby wytrzymać 100 milionów stopni Celsjusza bez natychmiastowego stopienia. W tym miejscu wchodzi w grę uwięzienie plazmy, co osiąga się za pomocą różnych typów reaktorów.
Najnowsze osiągnięcia w dziedzinie syntezy jądrowej
Zgodnie z pierwotnymi oczekiwaniami, jednym z najnowszych osiągnięć w dziedzinie syntezy jądrowej są Chiny. W maju 2021 roku naukowcy z Southwest Institute of Physics (SWIP) w Chengdu w Chinach ogłosili, że ich reaktor HL-2M pobił wszelkie rekordy w eksperymentach z syntezą jądrową.
Chociaż jest to proces złożony, największym wyzwaniem nie jest sama fuzja, jak to się udało w wielu reaktorach w ostatnich latach. Prawdziwym wyzwaniem jest utrzymanie go w czasie: niewiele osób jest w stanie zrobić więcej niż kilka sekund.
Tam naukowcy SWIP zdobyli swój medal: osiągnęli temperaturę 150 milionów stopni Celsjusza przez 101 sekund. Poprzedni rekord należał do Korei Południowej z 20 sekundami.
Ten podobny do tokamaka reaktor jest reklamowany jako „sztuczne słońce”, ale w rzeczywistości jest dziesięć razy gorętszy niż jądro słońca. Wszystkie oczy skierowane są teraz na największy jak dotąd międzynarodowy zakład: ITER. Ten wielki projekt, który obejmuje 35 krajów, które właśnie zakończyły pierwszą fazę budowy. Jeśli wszystko pójdzie dobrze, końcowy reaktor będzie w stanie wygenerować 500 megawatów energii elektrycznej około 2035 roku.
Mam nadzieję, że dzięki tym informacjom dowiesz się więcej o sztucznym solo z Chin i jego właściwościach.