Как опытный инженер-ядерщик со склонностью к термоядерной энергии, я могу с уверенностью сказать, что будущее чистой энергетики столь же яркое, как плазма в термоядерном реакторе. Проведя бесчисленные часы над материалами и моделированием, я начал ценить сложный танец между наукой и техникой, который представляет собой термоядерный синтез.
Энергия термоядерного синтеза обещает стать мощным и экологически чистым энергетическим решением благодаря своей способности производить огромное количество энергии в результате химических реакций, подобных тем, которые происходят в ядре нашего Солнца. В этих реакциях легкие элементы объединяются и выделяют энергию, которую инженеры затем могут использовать для нагрева воды и, в конечном итоге, для выработки электроэнергии с помощью паровых турбин. Однако достижение термоядерного синтеза на Земле — сложная задача, сопряженная с проблемами, которые необходимо преодолеть.
По сравнению с другими методами производства энергии, управляемый ядерный синтез предлагает несколько преимуществ, когда дело доходит до производства электроэнергии. Во-первых, сам процесс термоядерного синтеза не приводит к выбросам углекислого газа. Кроме того, в отличие от других источников энергии, здесь нет опасности расплавления. Наконец, в результате реакции не образуются долговременные радиоактивные отходы, которые могли бы представлять потенциальную опасность.
Как специалист в области ядерной техники, я концентрируюсь на изучении материалов, которые ученые могут использовать на термоядерных электростанциях. Термоядерный синтез происходит при чрезвычайно высоких температурах, поэтому, чтобы когда-нибудь он стал практическим источником энергии, нам нужно будет построить реакторы с использованием материалов, способных выдерживать как тепло, так и радиацию, образующуюся в результате реакций термоядерного синтеза.
Проблемы с термоядерными материалами
В процессе термоядерного синтеза могут объединяться несколько комбинаций элементов, но ученые часто отдают предпочтение объединению дейтерия с тритием из-за высокой вероятности их синтеза при температурах, подходящих для реакторов. Эта конкретная комбинация образует атом гелия и нейтрон, который в основном удерживает энергию, выделяющуюся во время реакции.
С 1952 года люди смогли создавать реакции термоядерного синтеза здесь, на Земле, причем некоторые эксперименты проводились даже в домашних гаражах. Однако задача заключается в том, чтобы сделать этот процесс экономически жизнеспособным. Цель состоит в том, чтобы произвести больше энергии в результате реакции, чем требуется для ее начала.
Как энтузиаст, я бы сказал это так: в основе реакций синтеза мы обнаруживаем особое состояние материи, называемое плазмой, которое похоже на перегретый газ, состоящий из электрически заряженных частиц. Поддержание этой плазмы при экстремальных температурах (более 100 миллионов градусов Цельсия) и в плотном состоянии на протяжении всей реакции имеет решающее значение для протекания этих реакций.
Чтобы плазма оставалась горячей и конденсированной и чтобы реакция могла продолжаться, вам нужны специальные материалы для изготовления стенок реактора. Вам также нужен дешевый и надежный источник топлива.
Хотя дейтерия много и его можно извлечь из воды, трития довольно мало. Предполагается, что термоядерный реактор мощностью 1 гигаватт будет потреблять около 56 кг трития каждый год. К сожалению, общий объем коммерческих поставок трития в мире составляет всего около 25 кг.
Прежде чем термоядерная энергия станет широко доступной, исследователи должны открыть новые методы производства трития. Реальный подход мог бы включать в себя самопроизводство трития в каждом реакторе с использованием системы, известной как «размножающий бланкет».
Проще говоря, внутреннее защитное покрытие плазменного контейнера (плазменной камеры) — это место, куда помещают воспроизводящий материал, в состав которого входит литий. Этот литий взаимодействует с нейтронами, образующимися в ходе реакций синтеза, образуя тритий. Более того, это покрытие также преобразует энергию, переносимую этими нейтронами, в тепло.
В термоядерных устройствах необходим компонент, известный как дивертор. Его роль заключается в удалении тепла и мусора, образующихся во время реакции, что позволяет реакциям продолжаться в течение длительного периода.
В своем исследовании я концентрируюсь на поиске решения, поскольку у нас нет существующих лабораторных условий, которые могли бы моделировать экстремальное тепло и воздействие частиц, которым подвергаются эти материалы. Чтобы восполнить этот пробел, я планирую вместо этого использовать математические модели и компьютерное моделирование.
От атома до полноценного устройства
Проще говоря, мы разрабатываем инструменты, позволяющие предвидеть износ материалов внутри термоядерного реактора и то, как их характеристики изменяются под воздействием сильной жары и высоких уровней радиации.
В моем игровом мире, когда материалы подвергаются воздействию радиации, внутри них могут возникнуть и расшириться дефекты, влияющие на их реакцию на тепло и напряжение. Мы надеемся, что однажды государственные органы и предприятия будут использовать эти инструменты для проектирования надежных термоядерных реакторов, обеспечивая стабильное энергоснабжение в будущем.
В нашем методе, известном как многомасштабное моделирование, мы изучаем физические свойства этих материалов в различных временных рамках и пространственных измерениях, используя различные вычислительные инструменты.
Первоначально мы углубляемся в понимание событий, происходящих внутри этих материалов на атомном уровне, используя точное, но дорогостоящее моделирование. Например, конкретное моделирование может быть сосредоточено на отслеживании движения атомов водорода внутри материала, когда он подвергается воздействию радиации.
В этих симуляциях мы изучаем такие характеристики, как коэффициент диффузии, которые дают представление о том, насколько широко водород может проникать в данное вещество.
Вместо того, чтобы использовать детальное моделирование на атомном уровне для каждого сценария, мы можем включить их результаты в более широкое моделирование, которое исследует поведение материала в более крупном масштабе, тем самым снижая затраты. Причина такого снижения затрат заключается в том, что в этих крупномасштабных симуляциях материалы рассматриваются как единое целое, а не учитываются индивидуально для каждого атома.
Моделирование на атомном уровне может потребовать несколько недель при выполнении на суперкомпьютере, тогда как их континуальные аналоги можно выполнить всего за несколько часов.
Разрабатываемые вычислительные модели впоследствии сравниваются с результатами, наблюдаемыми в лабораторных экспериментах.
Чтобы определить, сколько водорода выходит с одной стороны материала, нам нужно это знать. Если наша теоретическая модель и экспериментальные результаты совпадают, это укрепляет нашу веру в модель, позволяя нам полагаться на нее для прогнозирования поведения того же материала в условиях, аналогичных тем, которые встречаются в термоядерном реакторе.
Если они не совпадают, мы возвращаемся к моделированию атомного масштаба, чтобы выяснить, что мы пропустили.
Кроме того, мы можем связать обширные модели материалов с моделированием плазмы. Эти симуляции помогают предсказать области внутри термоядерного реактора, которые могут испытывать самые высокие температуры или интенсивные удары частиц. На основе этой информации мы можем изучить множество потенциальных ситуаций.
В случае, если во время работы термоядерного реактора через материал просачивается чрезмерное количество водорода, мы могли бы посоветовать укрепить определенные участки, увеличив толщину или включив вещество, которое может содержать водород.
Разработка новых материалов
В моем игровом мире, когда мы углубляемся в сферу коммерческой термоядерной энергии, становится ясно, что материалы, которые мы создаем, должны быть достаточно прочными, чтобы противостоять любым испытаниям. Варианты безграничны — я мог бы комбинировать различные компоненты в бесчисленных конфигурациях.
При смешивании нескольких компонентов для получения нового вещества определение оптимального соотношения для каждого ингредиента может оказаться сложной задачей. Более того, эксперименты со смешиванием пяти и более веществ могут привести к чрезмерному количеству симуляционных испытаний, что, несомненно, займет значительное количество времени.
Как здорово, что искусственный интеллект теперь может нам помочь! Объединив реальные испытания и виртуальное моделирование, ИИ может анализировать закономерности и предлагать комбинации, которые могут обладать желаемыми качествами, такими как высокая термостойкость и устойчивость к стрессам.
Цель состоит в том, чтобы свести к минимуму количество материалов, которые инженеру необходимо создавать и тестировать посредством экспериментов, тем самым экономя время и ресурсы.
Смотрите также
- С днем рождения, Энн Хэтэуэй: 6 неизвестных фактов об актрисе «Дьявол носит Prada», когда ей исполняется 42 года
- Джон Стамос выразил поддержку Дэйву Кулиеру после того, как последнему поставили диагноз «рак»: «Через все это»
- Слухи – ТРЕЙЛЕР
- Домоседы выбирают эти дешевые вещи, которые делают ваш дом намного лучше
- Trainspotting – стальная книга 4K UHD/BLU-RAY
- Бриджит Джонс без ума от мальчика – ТРЕЙЛЕР
- Этот неистовый носорог «Гладиатор II» и дрожжевые бабуины…
- «Разница в этом…»: «Дюна»: звезды «Пророчества» Оливия Уильямс и Эмили Уотсон о сходстве сериала HBO с «Игрой престолов»
- Любитель – ТРЕЙЛЕР
- Xbox только что анонсировал новый портативный компьютер, но есть загвоздка
2024-10-26 19:33