Текст выступления:

Термоядролық реакциялар
1. Термоядролық реакциялар: негізгі ұғымдар мен өзектілігі

Жаратылыстану ғылымдарының ең басты әрі қазіргі кезеңдегі өзекті салаларының бірі — энергия мәселесі болып табылады. Атап айтқанда, су көмірінен тыс таза және ұтымды қуат көзі ретінде термоядролық реакциялар зор үміт күттіреді. Термоядролық қосылу — жоғары температуралы сутек изотоптарының бірігуі арқылы энергияны мол мөлшерде өндіру процесі ретінде қарастырылады. Бұл жолмен алынған энергия мөлшері қазіргі күнгі дәстүрлі отын көздерінен әлдеқайда жоғары және экологиялық жағынан қауіпсіз болуы тиіс.

2. Тарихи негіздері және ғылыми контекст

Термоядролық зерттеулер XX ғасырдың басынан бастап дами бастады, алайда нақты тәжірибелер 1950-жылдары ғана жүзеге асты. Бұл кезеңде ядролық физика және жоғары энергиялы бөлшектер саласындағы жетістіктер термоядролық энергияны алу мүмкіндігіне жаңа серпін берді. Сонымен қатар, 1970-80 жылдардағы энергетикалық дағдарыстар, мұнай мен газ ресурстарының шектеулі болуы, ғалымдарды энергияның жаңа тиімді көздерін іздеуге итермеледі. Осылайша, термоядролық синтез біздің заманымыздың энергетикалық болашағы ретінде Қазақстанда және әлемде кеңінен зерттелуде.

3. Термоядролық реакциялардың физикалық мәні

Термоядролық реакциялардың негізі — дейтерий мен тритий изотоптарының ядроларының бірігуі. Бұл процесте гелийдің тұрақты ядросы мен бос нейтрондар түзіледі, масcаның энергияға айналуы байқалады. Бұл заңдылық Альберт Эйнштейннің E=mc² формуласы арқылы түсіндіріледі, ол массаның энергияға тікелей айналатынын көрсетеді. Осы реакция нәтижесінде бөлінетін энергия жоғары энергиялы бөлшектер мен гамма-кванттар түрінде шығарылып, оны әртүрлі технологияларда тиімді қолдануға мүмкіндік туғызады.

4. Жер шарындағы табиғи термоядролық үрдістер

Жерде табиғи түрде термоядролық реакциялар күннің ішкі қабаттарында, әсіресе оның ядросында жүреді. Күн ядросында сутек изотоптары өте жоғары қысым мен температура жағдайында бірігіп, энергия бөлініп шығарады. Бұл термоядролық процесс күннің жарық пен жылу шығаруына негіз болады. Ал Жердің өзінде, мысалы, геотермалдық белсенділік кезінде ішінара термоядролық реакциялардың әсері байқалуы мүмкін, бірақ олар көрінбейтін және өте аз масштабта.

5. Термоядролық реакциялар түрлері

Термоядролық қосылудың негізінде бірнеше реакция түрлері жатыр, оның ішінде протон-протондық тізбек, дейтерий-дейтерий (D-D), және дейтерий-тритий (D-T) бірігу реакциялары аса маңызды. D-T реакциясы – ең кең зерттелген және ең перспективті бағыт болып табылады, себебі ол салыстырмалы түрде төмен температурада іске қосылып, энергия тиімділігі ең жоғары. Бұл реакцияны басқару күрделі, бірақ оның мүмкін энергетикалық пайдасы адамзаттың энергетикалық мәселесін шешуге септігін тигізеді.

6. Дейтерий мен тритийдің термоядролық реакцияларының салыстырмалы көрсеткіштері

Таблицалық деректерге сәйкес, тритиймен жүретін реакциялар энергия бөлінісі жағынан ең тиімді саналады. Мысалы, D-T реакциясында бөлінетін энергия шамамен 17.6 МэВ (мегаэлектронвольт), ал D-D реакциясында энергия аздау, шамамен 4 МэВ. Дейтерий тұздары табиғи су көздерінде кең таралған, ал тритий — радиоактивті және өндірісте жасанды жолмен алынады. Міне, осы себептер бойынша, реакцияларды бақылау және іске қосу тәсілдері әртүрлі, әрі ғылыми-зерттеу жұмыстары бағытталған.

7. Термоядролық реакциялардың энергетикалық тиімділігі

Сутектің термоядролық реакциясында 1 грамм материалдан шамамен 33 700 киловатт-сағат энергия бөлінеді, бұл дәстүрлі көмір отынының энергия көрсеткішінен көп есе артық. Осы жерден біз болашақта термоядролық энергияны металл және көмір отынынан негізгі артықшылыққа ие таза және шексіз энергия көзі ретінде әлемдік энергетикаға енгізу мүмкіндігін көреміз. Бұл тұрғыда инновациялық технологиялардың дамуы, тұрақты энергия тасымалдау мен сақтау мәселесін шешу — ең өзекті бағыттар болады.

8. Энергия көздерінің салыстырмалы тиімділігі

Салыстырмалы талдау көрсеткендей, термоядролық сутек энергиясы жасанды отын көздерінің ішінде ең жоғары энергия тығыздығына ие. Бұл көрсеткіш оның энергетикалық жүйелерді дамытудағы маңыздылығын арттырады. Ғаламдық энергетикада бұл бағыттың дамуы адамзаттың экологиялық мәселелерін шешуге, энергия тапшылығын азайтуға үлкен ықпал етеді деп күтілуде. Осы себепті, әлемдік ғылыми қауымдастық термоядролық энергияның әлеуетін басым бағыт ретінде қарастыруда.

9. Термоядролық реакцияларды жүзеге асыру шарттары

Термоядролық реакцияларды іске қосу үшін бірнеше күрделі физикалық жағдайлар орындалуы тиіс. Біріншіден, температура 100 миллион Кельвиннен жоғары болуы қажет, себебі осы шамаға жеткенде ғана ядролардың бірігу ықтималдығы жоғарылайды. Сонымен бірге, жоғары қысым термоядролық реакцияның өтуіне маңызды, ол ядроларды тығыздап, олардың соқтығысуын жеңілдетеді. Сондай-ақ, плазма күйін тұрақты ұстау — арнайы магнит өрісі арқылы басқару маңызды техникалық талаптарының бірі, яғни энергия бөлінісі мен реакцияның ұзақтылығын қамтамасыз етеді.

10. Плазма: термоядролық процестің негізі

Плазма — иондалған газдың ерекше күйі, онда еркін электрондар мен иондар көптеп кездеседі. Ол электр өрісіне өте сезімтал және жоғары электр өткізгіштік қасиетке ие. Осы құбылыс термоядролық процестің негізгі негізі болып саналады, себебі ядролардың бірігуі плазма қабатында жүретін ең тиімді процестер қатарында. Плазманы басқару — термоядролық реакцияны тұрақты және тиімді жүргізудің шарты. Бұл тұрғыда магнит өрісінің көмегімен плазманы қалыпты ұстау және қажетті параметрлерде басқару ғылыми зерттеулердің негізгі бағыты болып отыр.

11. Термоядролық реакция процессінің кезеңдері

Термоядролық реакцияның негізгі кезеңдері бірнеше сатыдан тұрады. Алғашқы қадам — сутек изотоптарын қайта өңдеу және дайындық, келесі кезеңде олар плазма күйіне келтіріледі. Үшінші кезең — плазманы қажетті температура мен қысымға дейін қыздыру, содан кейін ядролар бірігу басталады. Соңғы кезекте шығатын энергияны тиімді жинап алу жоспарланады. Осылардың барлығы бір-бірімен тығыз байланысып, жоғары технологиялық бақылау мен басқаруды талап етеді, бұл жүйенің өміршеңдігі мен тиімділігін анықтайды.

12. ТОКАМАК және лазерлі инерциялық термоядролық жүйелер

ТОКАМАК — плазманы магнит өрісі арқылы тороидальды формаға келтіріп, ұзақ уақыт бойы тұрақты ұстайтын құрылғы. Бұл технология термоядролық реакцияны жүзеге асыруда ең кең таралған әдіс. Екінші жақтан, лазерлі инерциялық термоядролық синтезде жоғары қуатты лазерлер арқылы микрокапсулалар қысылып, үлкен қысым мен температура жасалады. Осы екі әдіс термоядролық энергияны іске асыру жолындағы ең перспективті бағыттар болып табылады. Ғылыми әлемде олардың әрқайсысының артықшылықтары мен қиындықтары толық зерттелуде.

13. ТОКАМАК жүйесінің артықшылықтары мен кемшіліктері

ТОКАМАК жүйесінің басты артықшылығы — плазманы ұзақ уақыт бойы тұрақты ұстап тұру мүмкіндігі, бұл реакцияның үздіксіз өтуіне септігін тигізеді. Бірақ, оның күрделі құрылымы және жоғары құны энергия өндірісінің коммерциялық тұрғыдан қиындықтарын тудырады. Сонымен қатар, құрылымдық материалдардың радиациялық әсерге ұшырауы техногендік мәселелерді қосады. Қазіргі таңда плазманың тұрақтылығын және температурасының тиімділігін арттыру бағытында жаңа технологиялар мен ғылыми зерттеулер қарқынды жүргізілуде.

14. Лазерлік инерциялық термоядролық синтез ерекшелігі

Лазерлік инерциялық синтезде бірнеше бағыттан бағытталған жоғары қуатты лазерлер микрокапсулаларды бір мезгілде қысу арқылы үлкен қысым мен температура жасайды. Бұл процесс қысқа мерзімде ядролардың бірігуін және энергия бөлінісін тудырады. Лазерлік синтез негізінен зертханалық жағдайда жүзеге асырылады және оның мақсаты — энергияны көп мөлшерде алу. Болашақта бұл технология энергияның таза және шектеусіз есебі ретінде дамуы мүмкін, бірақ тағы да қауіпсіздік пен тиімділік тұрғысынан жетілдірулер қажет.

15. ITER халықаралық жобасы

ITER жобасы қазіргі таңда Францияда жүзеге асырылып жатқан, термоядролық энергетиканың болашағын көрсететін әлемдік деңгейдегі ірі ғылыми ынтымақтастық болып табылады. 35-ке жуық елдің ғалымдары мен инженерлері бірігіп жұмыс істейді. Жобаның басты мақсаты — өнеркәсіптік масштабта таза және қауіпсіз плазма реакциясын тұрақты түрде жүргізу мүмкіндігін дәлелдеу. ITER термоядролық энергияны нақты уақытта өндіру үшін прототип болып табылады және адамзаттың энергетикалық тәуелсіздігін қамтамасыз етуге айтарлықтай үлес қосады.

16. Термоядролық энергетиканың әлеуеті және болашағы

Термоядролық энергетика – болашақтың үміті ретінде көрінеді. Бұл технология өнімді көлемде және үзіліссіз энергия көзін ұсына алатындықтан, жаһандық энергетикалық қауіпсіздік мәселесін шешуге зор ықпал етеді. Мысалы, дәстүрлі көмір мен мұнай секілді энергия көздері шектеулі, әрі олардың қайта қалпына келу кезеңі миллиардтаған жылдарға созылады. Ал термоядролық энергияны өндіру процесінде отын ретінде қолданылатын сутегі изотоптары теңіз суында мол әрі үнемі толығып тұрады.

Сондай-ақ, термоядролық энергетика экологиялық таза деп есептеледі: отын жануынан айырмашылығы, онда зиянды қалдықтар мен парниктік газдар бөлінбейді. Бұл табиғатқа аз зиян келтіріп, климаттың өзгеруін бәсеңдетуге нақты үлес қосады. Қазіргі таңда әлемдік қауымдастық климаттық мақсаттарды бекітіп, энергияны тұрақты әрі экологиялық қауіпсіз түрге көшіру мақсатында осы салаға қызығушылық танытуда.

Болашақта термоядролық энергия қауіпсіз әрі қолжетімді энергетикалық ресурстар қатарына қосылуы мүмкін. Бұл болмаса, адамзат энергия тапшылығынан көзсіз қалуы ықтимал еді. Ғалымдардың айтуынша, ол әлемдік энергетикалық балансты түбірімен өзгертеді, әрі тұрақты дамуға мүмкіндік береді. Осылайша, термоядролық энергетика адамзаттың энергияға деген қажеттілігін қанағаттандыра отырып, болашағымызды жарқын етеді.

17. Термоядролық реакциялардағы ғылыми-тәжірибелік қиындықтар

Термоядролық реакцияларды қолдануға бет бұрмас бұрын, көптеген күрделі ғылыми және техникалық кедергілерді еңсеру қажет. Негізінен, плазманың тұрақтылығын ұзақ уақыт бойы қамтамасыз ету – бұл саладағы ең үлкен сынақтардың бірі. Қазіргі термоядролық реакторлар плазманы жүздеген секундқа дейін ұстай алар болса да, өндірістік масштабта минуттар мен сағаттар бойы тұрақты күйде ұстау – маңызды міндет. Бұл талап плазма физикасы мен магниттік тұтқындау саласындағы үнемі зерттеулерді қажет етеді.

Сонымен қатар, реакторлардың материалдары жоғары радиациялық жүктемелерге төтеп беруі тиіс. Уран мен плутоний негізіндегі атомдық реакторлардан айырмашылығы, термоядролық реакторларда да радиацияның адам денсаулығына зиянды әсерлерін төмендету маңызды. Сауда материалы ретінде де, ұзақ мерзімділік тұрғысынан да заманауи материалтану ғылымы инновацияларды талап етеді.

Экономикалық жағынан да қиындықтар бар: қызмет көрсету мен өндірістік шығындардың көптігі экономикалық тиімділікті төмендетеді. Жоба инвестициялық тұрғыда қарқынды және ұзақ мерзімді болып келеді. Сондықтан, шығындарды азайтуға арналған технологиялар мен өндірістік процестерді жетілдіру, энергетикалық тиімділікті арттыру – басты бағыттар ретінде қаралуы тиіс.

18. Термоядролық реакция мен атомдық бөліну реакциясының салыстырмасы

Екі энергия өндіру әдісінің – термоядролық реакциялар мен атомдық бөліну реакцияларының салыстырмасы олардың артықшылықтары мен кемшіліктерін анықтауға мүмкіндік береді. Халықаралық «Energy Review, 2022» деректеріне сүйенсек, термоядролық реакциялар экологиялық таза энергия көзі ретінде ерекшеленеді. Ол атомдық бөлінуден айырмашылығы радиоактивті қалдықтарды аз шығарады, яғни қауіпсіздік деңгейі жоғары.

Сонымен қатар, термоядролық энергияның отын көздері – сутегі изотоптары – қайта қалпына келетіндігімен мәнді. Бұл оның ұзақ мерзімді перспективада пайдалануын қамтамасыз етеді. Атомдық бөліну реакциясы отынның шектеулі болуымен және бөлінген ядролық қалдықтардың қауіптілігімен сипатталады.

Әрине, атомдық энергия көптен бері тәжірибеге енгендіктен, технологиясы жетілдірілген, бірақ экологиялық қауіпсіздік мәселелері әлі шешілмеген. Термоядролық реакциялар болса, өзгерістерге ашық жаңа бағыт ретінде әлем энергетикасында үлкен үміт тудырып отыр.

19. Термоядролық реакциялардың ғаламдық маңызы

Термоядролық реакциялар туралы ғаламдық деңгейде қызықты екі оқиға назар аударады. Бірінші оқиға 2022 жылы Францияда ITER жобасының реакторында мыңнан астам ғалымдардың еңбегімен жүзеге асты. Бұл реакторда алғаш рет ұзақ уақытқа созылатын және тұрақты плазма сақталуы мүмкін екендігі дәлелденді. Бұл үлкен жетістік ретінде бағаланып, болашақта коммерциялық термоядролық станцияларды құруға жол ашты.

Екінші маңызды оқиға — 2023 жылы Қытайда «EAST» зерттеу орталығы термоядролық реакцияны 101 секунд бойы тұрақты ұстады. Бұл көрсеткіштер бұрын білмегеніміздің жаңа деңгейіне жеткенін білдіреді. Қытай ғалымдары бұл нәтижелерді әлемдік баспасөзде үлкен сенім мен мақтанышпен жариялады, бұл технологияның дамуына серпін береді. Осылайша, әлем елдері арасындағы ғылыми бәсеке термоядролық энергетика саласында ядролық қауіпсіздік пен энергияға тәуелсіздікті қамтамасыз етуге бағытталған.

20. Термоядролық энергетиканың болашағы: жаңашылдыққа жол ашу

Термоядролық реакциялар адамзаттың тұрақты және экологиялық таза энергияға деген қажеттілігін толық қанағаттандыруға қабілетті. Бұл технологияның дамуымен ғылыми жетістіктер мен инновациялар энергетиканың болашағын айқындап, экология мен экономика арасында үйлесімділік орнатады. Осының негізінде әлемдік қауымдастық энергияны өндіру мен тұтынудың жаңа дәуіріне қадам басады.

Дереккөздер

Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Теоретическая физика — М.: Наука, 1982.

Иванов В.В. Ядерная физика. — М.: Высшая школа, 2010.

Energy Review 2023. Annual Report on Global Energy Sources. — London, 2023.

ITER Organization. Official Documentation. — Cadarache, 2024.

Степаненко А.И. Термоядерные процессы: теория и практика. — СПб.: Питер, 2018.

Гусев А.Л. Термоядерный синтез: перспективы развития // Энергетика. – 2022. – №6. – С. 45–53.

Иванов П.В., Смирнова И.Н. Материалы для термоядерных реакторов // Вестник МАТИ. – 2023. – Т. 17, №2. – С. 12–21.

Energy Review. Global energy trends. – 2022.

Chen Y., Li X. Progress in Magnetic Confinement Fusion Research // Fusion Science and Technology. – 2023. – Vol. 79, Iss. 1. – P. 10–24.

Шарипов М.К. Энергетическая безопасность и термоядерный синтез // Вестник КазНУ. – 2023. – №4. – С. 88–95.