Միաձուլման ռեակցիա

Միաձուլման ռեակցիաներ. ապագայի էներգիայի աղբյուրը

Միջուկային միաձուլման ռեակցիաները ժամանակակից ֆիզիկայի ամենահետաքրքիր և պոտենցիալ հեղափոխական ոլորտներից մեկն են։ Պարզ ասած՝ միաձուլման ռեակցիան այն գործընթացն է, որի ընթացքում երկու թեթև ատոմային միջուկներ միանում են՝ առաջացնելով ավելի ծանր միջուկ, որն ուղեկցվում է հսկայական քանակությամբ էներգիայի արտանետմամբ։ Չնայած միաձուլման ռեակցիաները վաղուց հայտնի են գիտնականներին, դրանք որպես անվտանգ և կայուն էներգիայի աղբյուր վերահսկելու տեխնոլոգիական մարտահրավերը մնում է ամբողջ աշխարհում հավակնոտ նպատակ։

Միաձուլման ռեակցիաների հիմնական սկզբունքները

Միջուկային միաձուլման ժամանակ երկու ատոմային միջուկներ, որոնք սովորաբար ջրածնի իզոտոպներ են, ինչպիսիք են դեյտերիումը և տրիտիումը, բախվում են այնքան մեծ արագությամբ, որ էլեկտրամագնիսական ուժերը, որոնք սովորաբար դրանք իրարից հեռու են պահում, հաղթահարվում են։ Արդյունքում, երկու միջուկները միաձուլվում են՝ առաջացնելով հելիումի միջուկ և ազատ նեյտրոն՝ անջատելով հսկայական էներգիա։ Այս էներգիան առաջանում է Այնշտայնի E=mc² սկզբունքի հիման վրա, որտեղ գործընթացում կորցրած ցանկացած զանգված վերածվում է էներգիայի։

Էներգետիկ կիրառությունների համար ներկայումս մշակվող ամենատարածված միաձուլման ռեակցիան դեյտերիումի և տրիտիումի միջև ռեակցիան է.

²H + ³H → ⁴He + n + 17.6 ՄէՎ

Այս ռեակցիան առաջացնում է կայուն հելիում-4 և նեյտրոններ՝ մոտ 17,6 ՄէՎ (Մեգա էլեկտրոն վոլտ) ընդհանուր էներգիայով։

Միաձուլման էներգիայի պոտենցիալ

Միաձուլման ռեակցիաների միջոցով արտադրվող էներգիայի հիմնական առավելությունը դրա հսկայական էներգետիկ արտադրանքն է: Միաձուլման վառելիքի մեկ գրամը կարող է արտադրել մի քանի տոննա բրածո վառելիքի այրմանը համարժեք էներգիա: Ավելին, միաձուլման ռեակցիաների համար նախատեսված վառելիքները՝ դեյտերիումը և տրիտիումը, բավականին առատ են: Դեյտերիումը կարելի է ստանալ ծովի ջրից, իսկ տրիտիումը կարելի է արտադրել լիթիումից, որը նույնպես առատ է Երկրի կեղևում:

Միաձուլման էներգիան ունի նաև այլ նշանակալի առավելություններ, ինչպիսիք են՝ ջերմոցային գազերի կամ այլ օդի աղտոտիչների արտադրությունը, ի տարբերություն բրածո վառելիքի էլեկտրակայանների: Ավելին, միաձուլման ռեակցիաները չեն առաջացնում մեծ քանակությամբ երկարատև ռադիոակտիվ թափոններ, ինչպես ճեղքման ռեակտորները: Սա միաձուլման էներգիան դարձնում է աշխարհի աճող ապագա էներգետիկ կարիքները բավարարելու հզոր թեկնածու՝ առանց շրջակա միջավայրին վնաս հասցնելու:

Միաձուլման տեխնոլոգիաների մարտահրավերներ

Չնայած միաձուլման էներգիայի հսկայական ներուժին, հաղթահարելի տեխնոլոգիական և ճարտարագիտական ​​մարտահրավերները բարդ են: Ամենամեծ մարտահրավերներից մեկը այնպիսի պայմանների ստեղծումն է, որոնց դեպքում միաձուլման ռեակցիաները կարող են ընթանալ կայուն և արդյունավետ: Սա պահանջում է չափազանց բարձր ջերմաստիճաններ (տասնյակներից մինչև հարյուր միլիոնավոր աստիճաններ Ցելսիուս)՝ ատոմային միջուկների միջև էլեկտրամագնիսական վանողականությունը հաղթահարելու համար:

Անհրաժեշտ ջերմաստիճաններին և ճնշումներին հասնելու համար մշակվում են երկու հիմնական մոտեցումներ՝ իներցիոն ջերմամիջուկային միաձուլում և մագնիսականորեն կառավարվող ջերմամիջուկային միաձուլում։

1. Իներցիոն միաձուլում. Այս մոտեցման դեպքում վառելիքի փոքր գնդիկները (սովորաբար դեյտերիում-տրիտիում) արձակվում են բազմաթիվ ուղղություններից լազերների կամ հզոր իոնային ճառագայթների միջոցով: Արդյունքում առաջացող չափազանց բարձր ճնշումներն ու ջերմաստիճանները առաջացնում են միջուկային միաձուլում: Չնայած մեծ առաջընթաց է գրանցվել, այս գործընթացի էներգաարդյունավետությունը և ռեակցիայի վերահսկումը մնում են մարտահրավերներ:

2. Մագնիսական միաձուլում. Այս մոտեցումը օգտագործում է հզոր մագնիսական դաշտ՝ տաք պլազման թորաձև սարքի մեջ, ինչպիսին է տոկամակը կամ ստելարատորը, փակելու համար: Մագնիսական դաշտը ծառայում է պլազման կայուն և միաձուլման ռեակցիաների համար անհրաժեշտ բարձր ջերմաստիճաններում պահելու համար: ITER (Միջազգային ջերմամիջուկային փորձարարական ռեակտոր) նախագիծը Եվրոպայում այս մոտեցմանը կենտրոնացած ամենամեծ միջազգային ջանքերից մեկն է: ITER տոկամակի նպատակն է ցույց տալ, որ մագնիսական միաձուլումը կարող է արտադրել ավելի շատ էներգիա, քան անհրաժեշտ է ռեակցիան սկսելու համար:

Վերջին առաջընթացը և նախագծերը

ITER-ը ներկայումս իրականացվող ամենամեծ և ամենաամբիցիոզ միաձուլման նախագծերից մեկն է: Ավելի քան 30 երկրների աջակցությամբ ITER-ը նպատակ ունի դառնալ առաջին միաձուլման փորձը, որը կհասնի «բռնկման»՝ այն կետին, երբ միաձուլման ռեակցիան ավելի շատ էներգիա է արտադրում, քան սպառում է: Չնայած ITER-ը դեռևս լիովին չի գործարկվում, նախագիծը զգալի առաջընթաց է գրանցում և նախատեսվում է, որ ֆունկցիոնալ փորձերի անցկացումը կսկսվի 2020-ականների կեսերին:

ITER-ից բացի, տարբեր նախագծեր և մասնավոր ընկերություններ աշխատում են միաձուլման էներգիայի զարգացման ուղղությամբ: Օրինակ՝ Միացյալ Նահանգներում Լոուրենս Լիվերմորի ազգային լաբորատորիայի Ազգային բռնկման կենտրոնը (NIF) օգտագործում է իներցիոն միաձուլման մոտեցում՝ հզոր լազերներով: Նմանապես, Եվրոպայում, Joint European Torus-ը (JET) ծառայում է որպես ITER-ի հիմնական հետազոտական ​​և փորձարկման կենտրոն:

Մասնավոր հատվածում այնպիսի ընկերություններ, ինչպիսիք են TAE Technologies-ը, General Fusion-ը և Commonwealth Fusion Systems-ը, հետամուտ են լինում միաձուլման հետ կապված խնդիրները լուծելու նորարարական մոտեցումների: Նոր մոտեցումները, ինչպիսիք են նորարարական մագնիսական դաշտի կոնֆիգուրացիաների կամ առաջադեմ նյութերի ճարտարագիտական ​​տեխնիկայի կիրառումը, շարունակում են ուսումնասիրվել և փորձարկվել:

Միաձուլման էներգիայի ապագան

Կանխատեսումները այն մասին, թե երբ միաձուլման էներգիան կդառնա արդյունավետ առևտրային էներգիայի աղբյուր, տարբեր են։ Լավատեսությունն աճել է տեխնոլոգիական առաջընթացի և նախորդ փորձերից քաղված դասերի շնորհիվ, բայց շատերն ասում են, որ մենք դեռ տասնամյակներ հեռու ենք առևտրային օգտագործումից։

Չնայած մարտահրավերներին, միաձուլման էներգիայի՝ որպես մաքուր և գրեթե անսահմանափակ էներգիայի աղբյուրի, արտասովոր առավելությունները այն դարձնում են գիտության և տեխնոլոգիայի համար կարևորագույն նպատակ։ ITER-ի նման խոշորամասշտաբ նախագծերը ցույց են տալիս համաշխարհային նվիրվածությունը էներգետիկ լուծումներ գտնելուն, որոնք կարող են փոխարինել բրածո վառելիքը և կայուն կերպով բավարարել ապագա էներգետիկ կարիքները։

Որպես արագ աճող էներգետիկ կարիքներ ունեցող զարգացող երկիր, Ինդոնեզիան նույնպես պոտենցիալ դեր ունի միաձուլման տեխնոլոգիայի մշակման և կիրառման գործում: Միջազգային համագործակցությունը և հետազոտությունների ու զարգացման ոլորտում ներդրումները կարող են հիմք հանդիսանալ միաձուլման էներգիայի ինտեգրման համար ազգային էներգետիկ ենթակառուցվածքներում ապագայում:

Միաձուլման էներգիան պարզապես երազանք չէ, այլ որոնում, որը մեզ տանում է դեպի ավելի պայծառ, մաքուր և կայուն ապագա։ Աշխատասիրության և շարունակական նորարարության շնորհիվ միաձուլման ռեակցիաները կարող են լինել աշխարհի էներգետիկ կարիքների պատասխանը գալիք դարերում։