Физика 9 класс. 1. Физика. Методы познания природы. Физические явления
 Скачать 5.42 Mb.
|
87. Ядерная и термоядерная энергетика.Ядерная энергетика (Атомная энергетика) — это отрасль энергетики, занимающаяся производством электрическойи тепловой энергии путём преобразования ядерной энергии. Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер урана-235 или плутония. Ядра делятся при попадании в них нейтрона, при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией. В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло. Хотя в любой области энергетики первичным источником является ядерная энергия (например, энергия солнечных ядерных реакций в гидроэлектростанциях и электростанциях, работающих на органическом топливе, энергия радиоактивного распада в геотермальных электростанциях), к ядерной энергетике относится лишь использование управляемых реакций в ядерных реакторах. Ядерная энергия производится в атомных электрических станциях, используется на атомных ледоколах, атомных подводных лодках; США осуществляют программу по созданию ядерного двигателя для космических кораблей, кроме того, предпринимались попытки создать ядерный двигатель для самолётов (атомолётов) и «атомных» танков. Ядерная энергетика остаётся предметом острых дебатов. Сторонники и противники ядерной энергетики резко расходятся в оценках её безопасности, надёжности и экономической эффективности. Опасность связана с проблемами утилизации отходов, авариями, приводящими к экологическим и техногенным катастрофам, а также с возможностью использовать повреждение этих объектов (наряду с другими: ГЭС, химзаводами и т. п.) обычным оружием или в результате теракта — как оружие массового поражения. «Двойное применение» предприятий ядерной энергетики, возможная утечка (как санкционированная, так и преступная) ядерного топлива из сферы производства электроэнергии и его использовании для производства ядерного оружия служит постоянным источником общественной озабоченности, политических интриг и поводов к военным акциям (например, Операция «Опера», Иракская война). Вместе с тем, выступающая за продвижение ядерной энергетики Всемирная ядерная ассоциация публиковала данные, согласно которым гигаватт мощности, произведенной на угольных электростанциях, в среднем (учитывая всю производственную цепочку) обходится в 342 человеческих жертвы, на газовых — в 85, на гидростанциях — в 885, тогда как на атомных — всего в 8[1]. Около 50 лет одним из наиболее перспективных и практически неисчерпаемых источников энергии для будущего человечества считается управляемый термоядерный синтез (УТС). Идея использования термоядерной реакции для энергетики родилась в начале 1950-х годов одновременно с созданием водородной бомбы. В термоядерных реакциях синтеза участвуют прежде всего тяжелые изотопы водорода — дейтерий (Д) и тритий (Т), соответственно с двумя и тремя нейтронами в ядре. При этом из реакций Д+Д и Д+Т последняя энергетически в сто раз эффективнее, и во всех современных термоядерных установках пытаются осуществить именно ее. При слиянии ядер дейтерия и трития образуется нестабильное ядро гелия-5, которое быстро распадается на альфа-частицу (ядро гелия-4) и нейтрон с выделением энергии. Поскольку в природном водороде дейтерия достаточно много (и его можно добывать, например, из морской воды), а трития нет совсем (он неустойчив, его период полураспада около 12,5 лет), в реальных проектах термоядерных реакторов тритий предлагается получать из лития. Энергетический эквивалент реакции таков, что 1 г лития соответствует 1 т у.т. В то же время доступные запасы лития в земной коре достаточно велики (во много раз больше, чем углеводородного топлива), причем добывать литий сравнительно несложно. Крайне важное достоинство термоядерных реакций литий-дейтериевого цикла заключается в том, что при более высокой энергетиченской эффективности, чем в ядерных реакциях, здесь практически нет радиоактивных осколков деления (основной проблемы ядерного топливного цикла, с которой человечество столкнулось в Тримайл-Айленде и Чернобыле). Однако реакция УТС оказывается возможной только в горячей плазме. Для получения полезной энергии надо последовательно достичь двух пороговых условий: «зажигания» реакции, т. е. ее положительного энергобаланса, и самостоятельного, самоподдерживающегося синтеза, уже не требующего внешнего «подогрева». Критерий реализации реакции УТС определяется температурой плазмы (не менее 100 млн °С), временем ее стабильного удержания при достаточно высокой плотности. И в дополнение к этому для самоподдержания реакции требуется обеспечить необходимый объем плазмы при высокой напряженности магнитного поля. Каждый по отдельности из перечисленных параметров обеспечения УТС достигнут или даже существенно превзойден, однако получить устойчивый УТС пока не удалось. Основное направление развития работ по УТС — создание нужных параметров плазмы в тороидальной магнитной ловушке ГОКАМАК. Еще в 1985 г. был начат совместный (СССР, США, ЕС и Япония) проект ИТЭР экспериментального термоядерного реактора промышленного типа мощностью 1500 МВт. С 1992 г. после принципиального решения главных концептуальных вопросов начата инженерная разработка проекта. За инженерной проработкой должно было последовать принятие межправительственного решения по строительству демонстрационной термоядерной электростанции ТЯЭС. Однако после распада СССР российская сторона не смогла соблюдать согласованные условия финансирования работ по своей части программы (по 50 млн дол. в год), а в 1999 г. из-за растущих разногласий между ЕС и США и научно-технологической конкуренции Вашингтон вообще прекратил финансирование проекта ИТЭР. Поэтому сейчас проект затормозился на стадии инженерной проработки. Кроме систем удержания горячей плазмы в тороидальных магнитных ловушках типа ТОКАМАК, еще одним перспективным направлением разработки термоядерного реактора считается лазерно-импульсная технология. В ней на расположенный в фокусе группы лазеров шарик из смеси дейтерия и трития (или лития) синхронно воздействуют мощными лазерными импульсами, создающими в шарике, наряду с испарением его поверхности, необходимые для реакции температуру и давление плазмы и термоядерный микровзрыв. Однако пока что эта технология не вышла из стадии лабораторных экспериментов. В то же время бесспорно, что огромный потенциал термоядерной энергетики, способный принципиальным образом разрешить большинство энергетических проблем человечества, заставляет продолжать активные работы по разработке технологий УТС. |