Ο κύριος σκοπός της αντιδραστήρες πυρηνικής σύντηξης είναι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τη θερμική ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη συγχώνευση δύο ελαφρών πυρήνων. Ας μελετήσουμε τη λειτουργία των αντιδραστήρων σύντηξης.
- Ο αντιδραστήρας πυρηνικής σύντηξης χρησιμοποιεί γενικά το ισότοπο δευτερίου ή τριτίου που μοιάζει με υδρογόνο ως καύσιμο.
- Αρχικά, το καύσιμο σύντηξης θερμαίνεται στους 100 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου σε έναν θάλαμο υψηλού κενού, ο οποίος μετατρέπεται σε πλάσμα.
- Η καλύτερη αντίδραση σύντηξης απαιτεί υψηλή θερμοκρασία και πίεση, που παρέχονται από πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο ή αντλία υψηλού κενού.
- Υπό την επίδραση μιας τέτοιας πίεσης και θερμοκρασίας, το πλάσμα περιορίζεται εντός του θαλάμου και συντήκεται με το πρωτόνιο στόχο για να σχηματίσει έναν βαρύτερο πυρήνα.
- Η ενέργεια απελευθερώνεται κατά τη διαδικασία σύντηξης, στη συνέχεια συλλέγεται και μετατρέπεται σε άλλη χρήσιμη μορφή ενέργειας.
Το δευτέριο υπάρχει στο νερό, επομένως χρησιμοποιούνται ευρέως ως καύσιμο σύντηξης. Το τρίτιο δεν εμφανίζεται φυσικά. Έτσι, το λίθιο χρησιμοποιείται μαζί με το δευτέριο ως καύσιμο για πυρηνική σύντηξη. Σε αυτήν την ανάρτηση, ας συζητήσουμε ενδιαφέροντα γεγονότα σχετικά με τη λειτουργία και την παραγωγή ενέργειας από αντιδραστήρες πυρηνικής σύντηξης.
Πώς παράγουν ηλεκτρική ενέργεια οι αντιδραστήρες σύντηξης;
Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από αντιδραστήρα πυρηνικής σύντηξης ακολουθεί το αρχή εξοικονόμησης ενέργειας. Ας επικεντρωθούμε στη διαδικασία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από αντιδραστήρες σύντηξης.
Οι αντιδραστήρες σύντηξης παράγουν ηλεκτρική ενέργεια με δύο τρόπους:
- Μέσω ατμοστροβίλων – σε αυτή τη μέθοδο, η θερμότητα που απελευθερώνεται κατά τη σύντηξη συλλέγεται και μετατρέπεται σε ατμό χρησιμοποιώντας το νερό ως ψυκτικό. Διέρχεται από μια μεγάλη τουρμπίνα και τους κάνει να περιστρέφονται, κάτι που οδηγεί στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
- Άμεση μετατροπή – οι ταχέως κινούμενοι πυρήνες της σύντηξης μεταφέρουν ηλεκτρικά φορτία. Αυτά τα φορτία μπορούν να μετατραπούν σε ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας τη θερμική μηχανή.
Η απόδοση του αντιδραστήρα σύντηξης
Η απόδοση αντιπροσωπεύει την αναλογία της ενέργειας εισόδου προς παραγωγή που μετατρέπεται σε χρήσιμο έργο. Ας ελέγξουμε την απόδοση ενός αντιδραστήρα πυρηνικής σύντηξης.
Ο αντιδραστήρας σύντηξης παράγει τεράστια ποσότητα θερμότητας. Έτσι, η θερμική του απόδοση είναι 70% και η απόδοση ενός αντιδραστήρα πυρηνικής σύντηξης για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι 40%. Ένα γραμμάριο καυσίμου σύντηξης μπορεί να παράγει ενέργεια όπως 10 κιλά ορυκτών καυσίμων, επομένως είναι πιο αποδοτικό από την άποψη της παραγωγής ενέργειας.
Είναι ασφαλείς οι αντιδραστήρες πυρηνικής σύντηξης;
Η πυρηνική σύντηξη περιλαμβάνει ένα στοιχείο του οποίου ο ατομικός αριθμός είναι μικρότερος από 56. Τώρα, θα εξετάσουμε εάν ένας αντιδραστήρας σύντηξης είναι ασφαλής.
Ο αντιδραστήρας πυρηνικής σύντηξης είναι ασφαλής για την αξιοποίηση ενέργειας επειδή είναι μια αυτοπεριοριζόμενη διαδικασία, δηλαδή, εάν δεν μπορείτε να ελέγξετε την αντίδραση, ο αντιδραστήρας απενεργοποιείται μόνος του. Η έκρηξη του αντιδραστήρα σύντηξης είναι πολύ σπάνια καθώς δεν υφίσταται αλυσιδωτή αντίδραση, Τα ραδιενεργά απόβλητα είναι ελάχιστα σε έναν αντιδραστήρα σύντηξης, επομένως είναι ασφαλής η χρήση του.
Η πυρηνική σύντηξη δεν απελευθερώνει κανένα βαρύ ραδιενεργό στοιχείο ούτε τοξικά αέρια όπως διοξείδιο του άνθρακα ή οποιοδήποτε αέριο θερμοκηπίου, επομένως είναι ασφαλής για το περιβάλλον. Οι αντιδραστήρες πυρηνικής σύντηξης δεν είναι πάντα ασφαλείς επειδή μερικές φορές υφίστανται ραδιενέργεια που προκαλείται από νετρόνια, δημιουργώντας νετρόνια υψηλής ενέργειας που δεν είναι τόσο ασφαλή.
Πόσοι αντιδραστήρες σύντηξης υπάρχουν;
Η κατασκευή ενός σταθμού ηλεκτροπαραγωγής σύντηξης είναι δύσκολη γιατί η επίτευξη των απαραίτητων συνθηκών, όπως η υψηλή θερμοκρασία και η πίεση, είναι δύσκολη. Ενημερώστε μας τον αριθμό του αντιδραστήρα σύντηξης που υπάρχει.
Μόνο δύο αντιδραστήρες πυρηνικής σύντηξης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ενέργειας. Αυτοί είναι
- Αντιδραστήρες μαγνητικού περιορισμού
- Αντιδραστήρες αδράνειας περιορισμού
Αντιδραστήρες μαγνητικού περιορισμού
Οι αντιδραστήρες μαγνητικού περιορισμού χρησιμοποιούν το μαγνητικό πεδίο για να περιορίσουν το πλάσμα δευτερίου ή τριτίου. Χρησιμοποιούν την ηλεκτρική αγωγιμότητα του πλάσματος για να αλληλεπιδράσουν με το μαγνητικό πεδίο για να αντισταθμίσουν την υψηλή πίεση του πλάσματος. Έτσι, το ζεστό πλάσμα συνεχίζει να αγγίζει τα τοιχώματα του περιοριστικού θαλάμου μέσω του μαγνητικού πεδίου.
Αντιδραστήρες αδράνειας περιορισμού
Οι αντιδραστήρες αδράνειας περιορισμού χρησιμοποιούν το καύσιμο σύντηξης με τη μορφή μικρών σφαιριδίων, τα οποία συμπιέζονται σε εξαιρετικά υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και θερμαίνονται σε υψηλή θερμοκρασία. Ο αδρανειακός περιορισμός διαρκεί πολύ σύντομο χρονικό διάστημα και η δέσμη υψηλής ενέργειας πρωτονίων, ηλεκτρονίων ή ιόντων κάνει συμπίεση.
Πώς δεν λιώνουν οι αντιδραστήρες σύντηξης;
Το πλεονέκτημα ενός πυρηνικού αντιδραστήρα είναι ότι ακόμη και σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες, δεν υπάρχει κίνδυνος τήξης. Ας βρούμε τον λόγο πίσω από τη μη τήξη ενός αντιδραστήρα πυρηνικής σύντηξης.
Ο αντιδραστήρας πυρηνικής σύντηξης δεν λιώνει ακόμη και σε εκατομμύρια βαθμούς θερμοκρασίας λόγω του μαγνητικού πεδίου που εφαρμόζεται για να περιορίσει το πλάσμα. Το μαγνητικό πεδίο περικλείει το πλάσμα ως ασπίδα, παρέχοντας έτσι τέλεια θερμομόνωση για να αντέχει σε ακραίες θερμοκρασίες. Έτσι ο εξωτερικός πυρήνας του αντιδραστήρα δεν λιώνει.
Σε έναν αντιδραστήρα πυρηνικής σύντηξης, εάν κάτι πάει στραβά, όπως η κατάρρευση του μαγνητικού πεδίου, το πλάσμα ψύχεται μέσα σε ένα δευτερόλεπτο, ώστε να μην υπάρχει κίνδυνος τήξης. Είναι ένα από τα μεγάλα πλεονεκτήματα των αντιδραστήρων πυρηνικής σύντηξης.
Πώς θερμαίνονται οι αντιδραστήρες σύντηξης;
Προκειμένου να επιτευχθεί πυρηνική σύντηξη, η υψηλή θερμοκρασία είναι απαραίτητο κριτήριο. Ενημερώστε μας πώς θερμαίνεται ο αντιδραστήρας σύντηξης για να επιτευχθεί η απαιτούμενη θερμοκρασία.
Ο πυρηνικός αντιδραστήρας αρχικά θερμαίνεται μέσω ενός εξωτερικού ηλεκτρικού ρεύματος που διοχετεύεται στον πυρήνα του καυσίμου για να τους επιταχύνει. Καθώς αρχίζουν να επιταχύνονται, οι πυρήνες αποκτούν κινητική ενέργεια και υφίστανται σύγκρουση με τον εαυτό τους. Η σύγκρουση μεταξύ αυτών των πυρήνων προκαλεί τη θέρμανση του αντιδραστήρα πυρηνικής σύντηξης.
Η θερμότητα που παράγεται από κάθε σύγκρουση αυξάνεται μέχρι την απαιτούμενη θερμοκρασία, προκαλώντας την απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου από το ουδέτερο υδρογόνο και στη συνέχεια τον πυρήνα στόχο που εγχέεται στο καύσιμο του πλάσματος. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη συγχώνευση δύο ελαφρύτερων πυρήνων για να σχηματίσουν έναν ενιαίο βαρύ πυρήνα.
Συμπέρασμα
Ας τελειώσουμε αυτήν την ανάρτηση δηλώνοντας ότι ένας αντιδραστήρας πυρηνικής σύντηξης είναι η ασφαλέστερη γεννήτρια ενέργειας που όμως είναι δύσκολο να κατασκευαστεί. Η παραγωγή ενέργειας από τον αντιδραστήρα σύντηξης ακολουθεί τη μετατροπή μάζας-ενέργειας του Αϊνστάιν E=mc2. Υπάρχουν μόνο 20 αντιδραστήρες πυρηνικής σύντηξης κατασκευασμένοι σε όλο τον κόσμο.
