Когда ядерный синтез вытеснит нефть и газ из бизнеса.

Этот рождественский сезон — время благодарности и надежды на впечатляющие скачки в науке, которые совершаются:

Первое Принц Уильям, основатель премии Earthshots., объявил о вручении наград в Бостоне в 2022 году. Одна категория называлась Возродите наши океаны. Победителем стала группа под названием Коренные женщины Большого Барьерного рифа. Риф подвергся нападению, и победители взяли на себя его защиту. Они работают над защитой пляжей и черепах, а также над сохранением морских водорослей, которые улавливают в десять раз больше CO2, чем леса Амазонки. Они используют древние знания аборигенов и используют современные инструменты, такие как дроны, для наблюдения за изменениями кораллов на рифе, а также за внутренними лесными пожарами.

Во-вторых, в течение 20 лет Министерство энергетики США финансировало концепцию и разработку малого модульного ядерного реактора (ММР), называемого энергетическим модулем NuScale. Более безопасные, дешевые, масштабируемые и безуглеродные – вот преимущества. Это единственный SMR, получивший одобрение на конструкцию от Комиссии по ядерному регулированию (NRC). Модуль высотой менее 100 футов представляет собой цилиндр шириной 15 футов, который находится в ванне с водой ниже уровня земли. Он может производить 77 мегаватт электроэнергии, которой можно питать 60,000 2029 домов. Цель состоит в том, чтобы начать работу в Айдахо к XNUMX году.

В-третьих, медицинское учреждение имеет прорыв в лечении некоторых видов рака. Метод извлекает Т-клетки, которые являются частью иммунной системы, которая борется с раком, из организма, чтобы генетически модифицировать их с помощью техники CRISPR, а затем повторно вводить их обратно в организм в качестве «живого лекарства». Используя CRISPR, Т-клетки можно точно настроить и сделать более смертоносными в их атаке на определенные раковые клетки.

Эти «готовые» Т-клетки можно быстро производить в больших количествах с помощью CRISPR, вместо того, чтобы ждать недели или месяцы ранее. 12 декабря 2022 года доктор Макгирк из Канзасского университета объявил результаты испытаний, которые оказались на удивление хорошими и открыли новую дверь в лечении рака: опухоли уменьшились у 67% из 32 пациентов с лимфомой. Полной ремиссии достигли 40% больных. Существует большой энтузиазм в отношении потенциала этой техники для лечения многих других видов рака.

В-четвертых, это ошеломляющий прорыв в ядерном синтезе.

Прорыв в ядерном синтезе.

В прошлом веке, величайшем веке физики, одним из открытий было деление ядер. Когда тяжелый атом, такой как плутоний, распадается, небольшое количество массы теряется и вновь появляется в виде огромного количества энергии, потому что E = mc^2, где c — скорость света и очень большое число.

Под угрозой того, что Германия разработает бомбу с цепной реакцией, основанную на этой реакции, правительство США вложило огромные средства в создание атомной бомбы в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико, недалеко от того места, где я живу. Он был испытан в пустыне Белые пески к югу от Альбукерке и в конечном итоге был использован для прекращения войны с Японией.

Коммерческое применение быстро привело к созданию ядерных реакторов размером с сеть в разных странах. Некоторые из них были успешными: Франция получает 70% своей электроэнергии от 56 ядерных реакторов, в то время как США получают около 20% своей энергии от 93 ядерных реакторов.

Но успех непрост, когда случаются ужасные аварии, такие как Чернобыль в России в 1986 году и Фукусима в Японии в 2011 году, а также постоянное беспокойство по поводу захоронения ядерных отходов в США.

Родственная ядерная реакция — это когда два ядра водорода вынуждены сливаться в гелий, преодолевая силы отталкивания, и вновь выделяется огромное количество энергии. Это было основой испытаний водородной бомбы США в южной части Тихого океана (атолл Бикини) в 1950-х годах до заключения договора о запрещении испытаний 1963 года.

С тех пор коммерческое применение ядерного синтеза искали на протяжении десятилетий. Например, одна попытка базируется в Национальной лаборатории Сандия в Альбукерке, где горячая заряженная плазма удерживается электрическими полями. Идея заключалась в том, чтобы удерживать, сжимать и нагревать плазму (приток энергии) до тех пор, пока ядра водорода не сольются (приток энергии). Но входящая энергия всегда была больше, чем исходящая.

Еще одно коммерческое применение было в Ливерморской лаборатории Лоуренса в районе залива Сан-Франциско в Калифорнии. Здесь Было использовано 192 лазера удерживать, сжимать и нагревать плазму путем взрыва шарика смешанных изотопов водорода стоимостью 1 миллион долларов. Результаты всегда были одинаковыми – до сих пор. Объявленное на неделе, закончившейся 16 декабря 2022 г., потребление энергии (3.1 мегаджоуля) впервые превысило потребление энергии (2.1 мегаджоуля). Это настоящий прорыв. Достигнутая температура составила 3 ​​миллиона градусов по Цельсию.

Если рассматривать это в перспективе.

Во-первых, сравнение энергии на входе и выходе энергии слишком просто, потому что для включения лазеров требуется гораздо большая энергия: 400 мегаджоулей. См. ссылку 1.

Во-вторых, история успеха была связана всего с одним событием — одним термоядерным зажиганием. Чтобы быть хоть сколько-нибудь практичным, потребуется много, много термоядерных процессов в минуту, и потребуется лазер, который в тысячи раз мощнее. Плюс стоимость должна быть в миллион раз дешевле (Ref 1). Словом, один этот успех, хотя и вдохновляющий, но даже отдаленно не приближается к воображаемому практическому применению.

Так что это недешево и непрактично, но будет производить энергию высокой интенсивности и не будет содержать углерода.

Энергия ядерного деления в миллион раз мощнее чем любой другой источник энергии на Земле. И это важная причина, по которой в таких странах, как Франция и США, были сделаны инвестиции в строительство десятков атомных электростанций.

Ядерный синтез дает в 3-4 раза больше энергии, чем ядерное деление. Это одна часть сна. Еще одна часть мечты о термоядерном синтезе заключается в том, что нет ядерных отходов, от которых нужно избавляться — отходов, на разложение которых могут уйти сотни или тысячи лет. Третья часть заключается в том, что термоядерный синтез не является цепной реакцией, поэтому опасности неуправляемых ядерных реакций и взрывов не существует.

Поскольку на производство электроэнергии приходится около трети глобальных выбросов парниковых газов, последней частью мечты являются атомные термоядерные установки, разбросанные по всей стране для производства высокоинтенсивной безуглеродной электроэнергии.

Но помните, это всего лишь сон. Несмотря на свои преимущества, безуглеродный ядерный синтез не остановит нефтегазовую промышленность к 2050 году, а может быть, и к 2100 году.

Выводы.

Человечество воспроизвело солнечный источник света и тепла. При температуре около 15 миллионов градусов по Цельсию газообразная внутренняя часть Солнца сжимается под огромным давлением — чайная ложка весит 750 г или 1.65 фунта. ) впечатляющий подвиг.

Но ядерный синтез даже отдаленно не близок к воображаемому коммерческому применению.

Так почему же мы тратим большие деньги на расследование? Потому что так поступают развитые страны. Они строят телескопы, такие как Джеймс Уэбб, и устанавливают их на спутники для изучения Вселенной. Они строят ракеты, чтобы отправить мужчин и женщин на Луну. Они строят магнитные беговые дорожки, чтобы разогнать протоны до скорости света, прежде чем они разобьются, и обнаруживают во фрагментах неуловимые субатомные частицы, такие как бозон Хиггса.

Политика играет большую роль в принятии решения о распределении государственной поддержки и финансирования науки. К счастью, как сообщалось выше, существует множество примеров того, как страны используют науку для решения насущных проблем, непосредственно приносящих пользу человечеству.

Ссылка 1: Иерусалим Демсас, Power of the Sun, The Atlantic Daily, 16 декабря 2022 г.