Токамак, надпровідникова технологія, прискорює комерціалізацію енергії ядерного синтезу. Але чи може це бути відповіддю на наші проблеми забруднення?
Виробництво електроенергії на викопному паливі критикують за надмірні викиди вуглекислого газу, що спричиняє парниковий ефект і прискорює глобальне потепління. В якості рішення активно досліджуються відновлювані джерела енергії, які не забруднюють навколишнє середовище. Одним з таких джерел є енергія ядерного синтезу. Ядерний синтез - це коли два або більше атомних ядер об'єднуються, щоб створити нове ядро. Цей процес вивільняє велику кількість енергії через втрату маси, що називається «енергія синтезу».
Сонце є яскравим прикладом джерела, яке використовує цей процес для виробництва величезної кількості енергії. Сонце використовує високі температури та високий тиск для створення енергії шляхом злиття ядер водню. Ця енергія настільки величезна, що її достатньо для фотосинтезу в рослинах і підтримки тепла багатьох живих істот на Землі. Це диво природи надихнуло людей, і ми наполегливо працювали, щоб відтворити це саме джерело енергії на Землі.
Використання енергії ядерного синтезу вимагає умов надзвичайно високої температури і тиску. Для виконання цих умов потрібні спеціальні судна та технології. Його легко уявити як посудину для «штучного сонця». Тому вчені розробили новий тип посудини під назвою токамак.
На перший погляд токамак виглядає як пончик, але всередині атоми водню проходять реакцію ядерного синтезу, щоб створити штучне сонце. Як підтримувати умови надвисокої температури і надвисокого тиску, які його створюють, приховано в його формі бублика. Токамак має спіралеподібні дроти, які оточують форму бублика, і коли до цих дротів подається електрика, усередині спіралі утворюється магнітне поле – форма токамака – яке підвищує температуру та тиск усередині токамака та затримує штучне сонце всередині магнітного поля. Однак неможливо створити надвисокі температури та тиск за допомогою звичайних дротів, таких як простий мідний дріт, тому що опір самого дроту та тепло, яке він генерує, унеможливлять роботу токамака, якщо через нього буде протікати надмірна кількість електрики. Щоб компенсувати це, нам потрібно використовувати дроти зі спеціального матеріалу, який не має опору і, отже, не виділяє тепла. Це ключ до токамака.
Чи існують матеріали без опору? Так, вони існують. Звичайно, тільки в особливих умовах, але є матеріали, які мають нульовий опір: «надпровідники». Надпровідник — це матеріал, опір якого падає до нуля в певний момент при дуже низькій температурі, наприклад при кріогенних температурах. Щоб використовувати надпровідні дроти, Токамак обтікає проводами рідкий гелій, який має температуру мінус 269 градусів за Цельсієм. Призначення цього рідкого гелію — підтримувати температуру надпровідника на рівні кріогенних температур.
Отже, чому надпровідник має нульовий опір при кріогенних температурах? Причина полягає в тому, що коли температура падає нижче певної точки, електрони об’єднуються в пари і демонструють поведінку, якої не спостерігається при кімнатній температурі. Ця точка називається «критичною температурою», а пари — «парами Купера». Електрично, коли негативно заряджений електрон проходить через решітку позитивно заряджених електронів, електростатичне притягання змушує решітку трохи нахилятися в напрямку шляху електрона. Електрон, який слідує за ним, буде більше впливати на позитивний заряд, ніж електрон, який пройшов перед ним. У цьому процесі два електрони утворюють пару.
Коли два електрони утворюють куперівську пару і поводяться як одна частинка, вони стають «орієнтованими». Раніше окремі електрони були «симетричними», а не «спрямованими», оскільки всі вони рухалися в різних напрямках, але після утворення куперівської пари всі куперівські пари мають властивість рухатися в одному напрямку, тому всі електрони поводяться так, ніби вони були єдиною масою. Ці самі орієнтовані пари Купера продовжуватимуть текти, навіть якщо вони стикаються з будь-якими перешкодами, тобто електричний опір повністю зникає. З цієї причини при температурах, нижчих за критичну, опір усувається, що дозволяє протікати сильнішій електриці.
Наразі ми бачили, що надпровідники є ключовим елементом енергетики ядерного синтезу. Через кілька десятиліть, коли будуть розроблені надпровідники з вищими критичними температурами і технологія надпровідників стане більш досконалою, енергія ядерного синтезу буде комерціалізована, і люди в усьому світі зможуть насолоджуватися перевагами чистої відновлюваної енергії, не забруднюючи навколишнє середовище. Кілька поточних дослідницьких проектів також відіграють важливу роль у реалізації цього бачення. Ці технологічні досягнення прокладуть шлях до кращого навколишнього середовища та сталої енергії для майбутніх поколінь.
