Ядрен синтез, така работи технологията, която се стреми да реши нашите енергийни нужди
Стив Каули е един от водещите световни авторитети в ядрен синтез. Имах възможността да се срещна с него преди много години, в Мадрид, по време на една от конференциите, които той провежда по цялата планета, за да разпространя до каква степен тази технология може да допринесе за решаването на нуждите на човека от енергия.
Посланието му се задълбочава. Невъзможно е да го слушате, без да сте заразени от ентусиазма му и най-вече без да сте привлечени дълбоко от ядрения синтез, на който той е силен защитник. И според този британски физик-теоретик, тази технология е единствената, която може решаване на енергийната криза в която вече сме потопени и която ще продължи да расте през следващите десетилетия. Нейното или неговото обещание? Чиста, безопасна и практически неограничена енергия. Но за да стане възможно, все още има многобройни предизвикателства, които трябва да бъдат разрешени.
Не всичко ядрено е същото
Преди да видим как работи ядреният синтез в някакви подробности, струва си да спрем, за да видим как те си приличат. ядрен синтез и делене, а също и как се различават. Общото между тях е нещо очевидно: и двете са ядрени реакции, чиято цел е да освободят енергията, съдържаща се в ядрото на атома.
И в двата случая енергията се освобождава под формата на топлина и в рамките на атомните електроцентрали тя се прехвърля във водата, съдържаща се в огромен резервоар, за да генерира водна пара с висока температура, която веднага ще бъде използвана за задвижване на набор от турбини, чието движение ще генерира електрическа енергия които ще използваме по-късно.
Ако разгледаме този процес, можем да видим, че той ясно изпълнява Принцип на запазване на енергията за които всички сме чували, поне когато сме учили, и че знаем благодарение на работата на учени като Талес от Милет, Галилей, Лайбниц или Нютон, между другото. Този закон казва, че енергията нито се създава, нито се унищожава, а просто се трансформира от една форма на енергия в друга. Важна последица от този принцип е, че общата енергия на системата остава постоянна, така че е еднаква преди и след всяка трансформация.
Ако се върнем към това, което наистина има значение за нас, към нашата атомна електроцентрала, можем да видим, че енергията, съдържаща се в ядрото на атома, се освобождава под формата на топлина (така получаваме Термална енергия), независимо дали прибягваме до процедурата на делене или ядрен синтез. Именно това е функцията на ядрения реактор: да трансформира ядрената енергия, съдържаща се в атомите, в топлинна енергия.
Веднага след тази последна форма на енергия причинява изпаряване на част от водата в резервоара, появяваща се пара при високо налягане и следователно надарена с Кинетична енергия, който е притежаван от тела поради тяхното движение. Кинетичната енергия на движещата се водна пара се трансформира в механична енергия чрез превръщане на турбините на атомната електроцентрала и накрая тя отново се трансформира, този път в електроенергия, благодарение на работата на генератор, който е отговорен за производството на електричество, което достига до домовете ни, наред с други места.
Две различни стратегии
Както току-що видяхме, непосредствената функция както на реактор, който използва ядрено делене, така и на реактор за ядрен синтез е абсолютно еднаква: да произвежда водна пара при висока температура, в края на процеса и чрез трансформациите, които току-що видяхме ., генерират електрическа енергия.
Любопитното е, че основният принцип на работа на електроцентралите, които използват нефт, въглища или газ като гориво, е абсолютно един и същ: загряване на водата в резервоар за производство на пара и захранване на турбина.
Всички търговски ядрени реактори, които използваме днес, използват делене, а не ядрен синтез.
Тук приключват приликите между делене и ядрен синтез. Атомните електроцентрали, които използваме в момента прибягват до ядрен делене, а не сливането. Без изключение. И това е така, въпреки че експерименталните реактори вече ни показаха, че ядреният синтез работи, това е толкова сложен процес, че, както ще видим по-късно, физиците и инженерите все още не са намерили начин реакцията на синтез да се държи стабилно дълго време.
Това предполага, че синтезът не може да се поддържа за много дълъг период от време с положителен енергиен баланс (в резултат на процеса се получава повече енергия, отколкото е необходимо да се инвестира за неговото стартиране) и напълно контролиран начин.
И това е, че ако целта на ядреното делене е да се получи енергия, "разделяща" ядрото на атома, тази на ядрения синтез трябва да го направи съединяване на две леки ядра за да се образува по-тежък. И към днешна дата ние знаем с много по-голяма точност как да извършваме делене по контролиран начин.
Ядрено делене, в детайли
Както видяхме няколко реда по-горе, този процес, който в момента се използва в атомните електроцентрали, се състои от разбиват ядрото на атом в две или повече ядра, за да освободи част от енергията, която съдържа. Но не можем да фрагментираме ядрото на който и да е атом. На теория може да се направи, но на практика интересното е да се използва атом, който е относително „лесен и евтин“ за разбиване. А този за уран 235 е.
Уранът е химичен елемент, който можем да открием в природата много ниски концентрации, обикновено върху скали, почва и вода. Следователно производството му е скъпо, а обработката му е сложна, тъй като изисква извършване на химични процеси, способни да го отделят от останалите елементи и примеси, с които обикновено живее. Той има 92 протона и също толкова електрони, които обикалят около ядрото, като последното включва, освен протоните, между 142 и 146 неутрона.
Важно е да запомните, че ядрото на атома обикновено се състои от определен брой протони и неутрони (макар и не винаги: протиумът, най-разпространеният водороден изотоп, има само един протон и в ядрото си няма неутрони), както и както от електрони, които обикалят около него. Фактът, че броят на неутроните в уранното ядро може да варира, както току-що видяхме, ни казва това има няколко изотопа на този химичен елемент, които не са нищо друго освен атоми с еднакъв брой протони и електрони, но различен брой неутрони.
Причината, поради която атом на уран 235 се използва в реакторите за ядрено делене, а не друг изотоп на този елемент или друг химичен елемент, е, че когато ядрото му се бомбардира с неутрон (процес, известен като индуцирано делене) уран 235 се трансформира в уран 236, който е нестабилен елемент. Това просто означава, че уранът 236 не може да остане дълго в сегашното си състояние, така че той се разделя на две ядра, едното от барий 144, а другото от криптон 89, а също така излъчва два или три неутрона.
И тук е наистина интересното: сумата от масите на ядрата на барий 144 и криптон 89 е малко по-малка от тази на ядрото на уран 236, от който те идват (около 0,1% от първоначалната маса „изчезва“). Къде е изчезнала липсващата маса? Има само един отговор: е трансформиран в енергия. Формулата E = mc 2, вероятно най-популярната в историята на физиката, свързва масата и енергията и това, което казва, е просто, че определено количество маса се равнява на определено количество енергия, въпреки че масата е в покой.