Проект на тему: Развитие Термоядерной энергетики. Развитие термоядерной энергетики
 Скачать 30.46 Kb.
|
|
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 32 ПРОЕКТ НА ТЕМУ: «Развитие термоядерной энергетики» Выполнил: Середа Ростислав Сергеевич. ученик 9Б класса МБОУ СОШ №32. г. Новороссийска. Руководитель проекта: Лебедянская Татьяна Викторовна, учитель физики и математики. МБОУ СОШ №32. г. Новороссийск 2022 г. Оглавление: Введение…………………………………………………………………………3 Часть I. История создания и развития термоядерной энергетики. 1.1 Открытие и использование термоядерной энергии………………………...5 1.2 Принцип работы термоядерного реактора…………………………………..6 1.3 Значимость термоядерной энергетики в современном мире…………………………………………………………………………8 Часть II. Сравнение термоядерной энергии с атомной энергией. Выявление преимуществ и недостатков термоядерной энергетики. 2.1 Безопасность и сложность конструкции……………………………………………………………………...10 2.2 Доступ к ресурсам, генерация энергии и экологические параметры…….11 Введение: «Тот, кто изобретает нечто, в чем сейчас не нуждаются, извлечет пользу со временем, когда в этом изобретении появится необходимость.» Абу-ль-Фарадж ибн Гарун В связи с тем, что природные ресурсы нашей планеты не бесконечны, а люди начали осознавать экологические проблемы Земли, учёные начали искать способы сократить расходы ресурсов, сохраняя при этом экологию. Одним из продуктов их поисков стала термоядерная энергия. И правда, её топливом является самое распространённое вещество во Вселенной - водород, более того, она не имеет выбросов. Однако в данный момент её развитие - не самая популярная идея. В погоне за сокращением выбросов углеродных соединений в атмосферу нашей планеты, что значительно замедляет темпы глобального потепления, в данный момент большой скачок в развитии получила термоядерная энергетика, которая, в отличии от других способов получения энергии, не имеет выбросов, вредных для атмосферы. Однако, одним из её недостатков является нуждаемость в природных ресурсах, в частности в уране. Термоядерная энергетика не стоит на месте, но всё ещё, по большей части, является лишь идеей. Зато какой! Актуальность: Актуальность проекта определяется множеством факторов, значимость которых повысилась в последнее время, таких как экология, недостаток ресурсов, цены на электричество и множество других факторов побуждающих развивать термоядерную энергетику во всех странах. Цель: Цель работы заключается в изучении истории термоядерной энергетики с последующим сравнением термоядерной энергетики с атомной энергетикой для получения самого перспективного источника добычи энергии. Задачи: Ознакомление с историей термоядерной энергетики. Ознакомление с принципом работы термоядерного реактора. Ознакомление с конструкцией термоядерного реактора. Выяснить значимость термоядерной энергетики и её преимущества над атомной энергетикой. Подготовить проект к защите. Практическая значимость: Практическая значимость результатов, полученных в данном проекте, заключается в том, что они могут использоваться в качестве базы исследовательской, аналитической и проектной деятельности авторов, изучающих тему термоядерной энергетики. Рассмотрение теоретических основ позволяет актуализировать текущее представление о термоядерной энергетике. Выполнение анализа позволит сделать вывод о необходимости термоядерной энергетики в мире. Предмет: Термоядерный реактор и его история. Гипотеза: Я предполагаю, что за термоядерной энергетикой будущее. Часть I История создания и развития термоядерной энергетики. 1.1 Открытие и использование термоядерной энергетики. Возможность экзотермической реакции синтеза ядер легких элементов как экзотическая концепция, наряду с идеей деления, появилась в 1930-х годах, когда стало ясно, что именно такой процесс питает Солнце и звезды. В те далекие времена единственным возможным применением ядерной энергии было создание мощного оружия невиданной, но взрывоопасной силы. Как показывают простые расчеты, потенциальное топливо для деления или синтеза накапливает в миллион раз больше энергии, чем химическое топливо. Однако было неясно, как извлекать энергию в пригодной для использования форме из ядерных реакций. Не было необходимости в постоянной работе в этом направлении, но Вторая Мировая война маячила на горизонте. С помощью конструкции своей Чикагской ядерной установки Энрико Ферми успешно решил эту проблему для топлива и для деления. Его работы были жизненно важной частью Манхэттенского проекта - усиление США по созданию ядерного оружия во время Второй мировой войны. Реактор состоял из графитовых блоков, меж которыми были размещены шары из природного урана и его диоксида. стремительные нейтроны, появляющиеся после деления ядер 235U, замедлялись графитом до тепловых энергий, а затем вызывали новые деления ядер. Реакторы, похожие СР-1, в которых ключевая доля делений протекает под воздействием тепловых нейтронов, именуют реакторами на тепловых нейтронах. В их состав входит очень много замедлителя по сравнению с ядерным топливом. В СССР теоретические и экспериментальные исследования особенностей запуска, работы и контроля реакторов были проведены группой физиков и инженеров под руководством академика И. В. Курчатова. Первый советский реактор Ф-1 был построен в Лаборатории № 2 АН СССР (Москва). Этот реактор выведен в критическое состояние 25 декабря 1946 года. Реактор Ф-1 был набран из графитовых блоков и имел форму шара диаметром примерно 7,5 м. Реактор Ф-1, как и реактор CP-1, не имел системы охлаждения, поэтому работал на очень малых уровнях мощности. Результаты исследований на реакторе Ф-1 стали основой проектов более сложных по конструкции промышленных реакторов. В 1948 году введён в действие реактор И-1 по производству плутония, а 27 июня 1954 года вступила в строй первая в мире атомная электростанция электрической мощностью 5 МВт в г. Обнинске. 1.2 Принцип работы термоядерного реактора. Работа термоядерного реактора основана на реакции ядерного синтеза - «склеивании» двух маленьких ядер в одно. К примеру, если слепить 2 атома водорода получится гелий. Принцип работы ядерного синтеза в том, что из-за разности масс атомов производится большое количество энергии. Но преодолеть силу отталкивания двух ядер не так просто, поэтому такая реакция может происходить только при очень высоких температурах. От нагревания частицы двигаются быстрее и, сталкиваясь, объединяются в одно ядро. Высокая температура и есть загвоздка в применении термоядерной реакции в жизни - нет таких металлов, которые не расплавились бы при воздействии такой температуры. В попытках производства термоядерного реактора выход нашли - плазму можно удерживать магнитным полем в токамаках. Токамак — тороидальная установка для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза. Конструкция термоядерного реактора: Центральный соленоид (индуктор) Катушки полоидального магнитного поля Катушка Вакуумная камера Криостат Дивертор тороидального магнитного поля Магнитная система токамака состоит из 48 элементов: 18 катушек тороидального поля, 6 катушек полоидального поля, центрального соленоида, состоящего из 6 секций, и, наконец, 18 корректирующих катушек. Индукция поля, образовываемого магнитной системой, достигает 13 тл. Это чрезвычайно высокое значение. Для сравнения: это поле превышает магнитное поле Земли в 200 000 раз. Для снижения утрат на электрическое сопротивление в катушках тороидального поля и центрального соленоида применяется проводник из соединения ниобия-олово (Nb3Sn). Для катушек полоидального поля и корректирующих катушек используется ниобий-титановый (NbTi) сплав. При температуре кипения жидкого гелия (примерно 4К, или −269 °С) эти сплавы находятся в свехрпроводящем режиме. Катушки тороидального поля - размещены снаружи вакуумной камеры токамака, и внутри оболочки криостата. Они состоят из 18 схожих элементов (D-образных катушек), расположенных вертикально вокруг торообразной вакуумной камеры. Они создают магнитное поле вокруг плазменного тора индукцией 11,8 Тл и запасают энергию 41 гигаджоулей. Каждая катушка весит около 300 т, имеет высоту 15м и ширину 9м. Общий вес катушек тороидального поля 6540 т. Катушки намотаны из сверхпроводящего кабеля, который состоит из прядей (стрендов), заключённых в оболочку из того же сплава. Кроме прядей внутри кабеля проходят каналы для циркуляции охладителя - жидкого гелия. Общая длина прядей, используемых для катушек TF, составляет более 80 тысяч м. Всего будет произведено 19 катушек (одна запасная). Из них 10 штук произведёт Европа, и 9 штук - Япония. Катушки полоидального поля - размещены поверху катушек TF. Находятся внутри оболочки криостата. Состоят из 6 катушек, размещенных горизонтально. предназначение данного поля - отдалить плазменный шнур от стен камеры и сжать его (адиабатический нагрев). Благодаря своим масштабам четыре из шести катушек PF (2, 3, 4, и 5) будут наматываться на территории ITER, в специально построенном для этого Здании полоидальных катушек. О масштабе этих изделий сообщает подобный факт: две самые огромные катушки PF-3 и PF-4 имеют внешний диаметр 24м, а масса каждой 400 т. Меньшие катушки (обозначения в спецификации ITER PF-1 и PF-6) производятся в России и Китае соответственно, и доставляются морем. Производство катушки PF-6 поручено Китаю. Эта катушка уже полностью собрана, завезена из Китая в ITER и прошла холодный тест. В апреле 2021 года она установлена в шахту реактора. Катушка PF-1 изготавливается в России, в Санкт-Петербурге, на Средне-Невском судостроительном заводе. Начало намотки катушки стартовало летом 2015 года. В апреле 2021 года веб-сайт ITER показал фото намоточного пакета PF-1, только что извлеченного из вакуумной камеры, где происходила пропитка пакета эпоксидной смолой. Центральный соленоид - находится в «дырке от бублика» - вдоль оси вакуумной камеры. Он представляет собой первичную обмотку трансформатора. Вторичной обмоткой трансформатора является плазменное кольцо, закрытое в короткий виток. Ни один трансформатор не может работать на постоянном токе, поэтому напряжение в первичной обмотке будет возрастать от нуля до своего предельного значения. Ток, проходя по плазме, создает дополнительное магнитное поле, стремящееся ещё сильнее сжать виток (адиабатический нагрев) и одновременно нагревая его за счёт омического противодействия (индукционный нагрев). Соленоид состоит из шести катушек, намотанных из специального кабеля из ниобий-оловянного сплава (Nb3Sn). Этот кабель рассчитан на ток до 46 кА. Кабель проектировался, чтобы перенести без деформации значительный вес вышележащих слоёв. Каждая катушка похожа на стопку блинов. Стекло-полиамидная изоляция, пропитанная эпоксидной смолой, способна выдержать напряжение до 29 кВ. Длина кабеля, укладываемого в каждую катушку, составляет 910м. За 20 лет службы токамака центральный соленоид совершит примерно 60 000 импульсов. Корректирующие катушки - находятся внутри вакуумной камеры, между стенкой камеры и бланкетом. Они служат для «сглаживания» пограничных локализованных мод, способных вызвать «выпучивание» плазменного шнура. Такое «выпучивание» опасно множеством неблагоприятных последствий. Во-первых, плазма, дотрагиваясь стенок камеры, теряет энергию и охлаждается. Во-вторых, происходит испарение, а следовательно, повышенный износ материала «горячей стенки». В-третьих, испарившийся материал (в основном бериллий) загрязняет внутреннее пространство вакуумной камеры мельчайшей пылью. Эта пыль, попав в плазму, заставляет её дополнительно светиться, что ещё больше остужает шнур и вызывает ещё больший износ горячей стенки. 1.3 Значимость термоядерной энергетики в современном мире. В современности большинство стран 1-3 мира обеспечены энергией, однако -даже учитывая что каждый год строятся новые АЭС - потребление энергии в мире растет намного быстрее, чем ее производство, и термоядерная энергетика может решить проблемы с электричеством и количеством АЭС почти во всём мире, исходя из этого можно сказать что термоядерная энергетика является самым рентабельным способом добычи энергии на данный момент. Часть II Сравнение термоядерной энергии с атомной энергией. Введение: Вопросы о безопасности, практичности и экологии становятся с каждым днём и каждой построенной станцией всё актуальнее и актуальнее. По этой причине я решил сравнить один из самых распространённых способов добычи энергии — атомный с термоядерным, чтобы выяснить плюсы и минусы их использования в современном мире. 2.1 Безопасность и сложность конструкции. ТЯР: В отличии от АЭС, термоядерный реактор не может взорваться из-за своей конструкции, так как после прекращения работы реактора содержащаяся внутри токамака плазма бесследно исчезает, делая реактор абсолютно безвредным и безопасным для человека и окружающей среды. Собственно, из-за того, что после остановки реактора плазма бесследно исчезает из-за этого взрыв ТЯР невозможен, что делает его в разы безопаснее для мира в отличии от АЭС. АЭС: В сравнении с ТЯР, конструкция АЭС сложнее. Это обуславливается тем, что на АЭС необходимо поддерживать гораздо более сложные физические процессы. Это и представляет большую опасность для человека, ведь атомный реактор быстро и полностью нельзя отключить и обезвредить в отличии от ТЯР, где после отключения плазма бесследно испаряется, главной проблемой АЭС является взрывоопасность, ведь последствия взрыва АЭС отражаются на очень больших территориях в виде радиации и больших потерь на близлежащих территориях. 2.2 Доступ к ресурсам, генерация энергии и экологические параметры. ТЯР: В термоядерном реакторе используется всего 3 элемента: водород, дейтерий, тритий. Из курсов химии мы знаем, что водород самый распространенный элемент во вселенной, а дейтерий и тритий – его изотопы. Поэтому с его добычей не будет проблем. Второй элемент — дейтерий, мировое производство дейтерия равняется - десяткам тысяч тонн в год, главными поставщиками дейтерия являются Индия, Китай и Иран, так что проблем с поставками не может быть. Третий элемент — тритий, в США с 1955 года было произведено около 225кг трития, для запуска ТЯР потребуется как минимум около 3кг трития, из этого можно сделать вывод что ресурсы для работы ТЯР довольно распространены и их производство налажено, так что проблем с доступом к ресурсам не будет. В плане экологии ТЯР в разы лучше АЭС, так как термоядерный реактор не имеет выбросов, влияющих на экологию, чего нельзя сказать о АЭС. АЭС: В атомной электростанции чаще всего используются 2 вида топлива: диоксид урана и плутоний-23. Диоксид урана получают восстановлением триоксида урана водородом:  Второй элемент — плутоний-239, который образуется в любом ядерном реакторе, работающем на природном или малообогащённом уране, содержащем в основном изотоп 238U, при захвате им избыточных нейтронов. Легкодоступными эти элементы сложно назвать, но получаемый результат в виде большого количества вырабатываемой энергии говорит о том, что затраты окупаются количеством вырабатываемой энергии, но вырабатывается энергии меньше чем в ТЯР, а тем более АЭС вырабатывает вместе с энергией вырабатываются ядовитые выбросы, которые значительно портят экологию планеты и медленно её убивают. Вывод: Целью моей работы было рассказать про термоядерную энергетику и доказать, что термоядерная энергетика является самым перспективным, безопасным и экологичным способом добычи энергии, моя гипотеза была доказана и после всех приведённых выше фактов можно смело сказать, что - термоядерная энергетика – это будущее планеты и наших детей. Список литературы: https://popmech-ru.turbopages.org/popmech.ru/s/science/12621-zvezdy-na-zemle-termoyad/ https://sputniknews.com/20201021/a-world-without-oil-and-uranium-russian-scientists-research-clean-safe-nuclear-power-generation-1080836647.html https://fusionforenergy.europa.eu/iter/ https://peakoil.com/alternative-energy/thermonuclear-fusion-how-scientists-hope-to-extract-energy-of-stars-on-earth https://1000sovetov.ru/article_termoyadernyi-reaktor-i-principy-ego-raboty (представление) Здравствуйте, я Середа Ростислав Сергеевич, ученик 9Б класса начинаю защиту своего проекта по теме «Развитие термоядерной энергетики» (вступление) В связи с тем, что природные ресурсы нашей планеты не бесконечны, а люди начали осознавать экологические проблемы Земли, учёные начали искать способы сократить расходы ресурсов, сохраняя при этом экологию. Одним из продуктов их поисков стала термоядерная энергия. И правда, её топливом является самое распространённое вещество во Вселенной - водород, более того, она не имеет выбросов. Однако в данный момент её развитие - не самая популярная идея. В погоне за сокращением выбросов углеродных соединений в атмосферу нашей планеты, что значительно замедляет темпы глобального потепления, в данный момент большой скачок в развитии получила термоядерная энергетика, которая, в отличии от других способов получения энергии, не имеет выбросов, вредных для атмосферы. Однако, одним из её недостатков является нуждаемость в природных ресурсах. Термоядерная энергетика не стоит на месте, но всё ещё, по большей части, является лишь идеей. (теория) Миру стало очевидно, что подобные разработки в одиночку не реализовать, и, в 1992 году Россией, Европейским Союзом, США и Японией был инициирован амбициозный проект «ITER». Задача ITER заключается в демонстрации возможности коммерческого использования термоядерной реакции синтеза и решении физических и технологических проблем, которые могут встретиться на этом пути. Проект разрабатывается с середины 1980-х годов, сооружение планировалось закончить в 2016 году. (практика) Практика заключается в сравнении термоядерной энергетики и атомной энергетики, ознакомившись с пунками вы можете подметить такую деталь что термоядерная энергетика в разы практичнее чем атомная, так как термоядерный реактор не может взорваться в отличии от атомного реактора, ведь при остановке термоядерного реактора вся реакция полностью останавливается, а плазма из токамака бесследно исчезает, в отличии от атомного реактора где реакция до конца не завершается после остановки и её необходимо сдерживать, из этого на ум приходит вывод что жить рядом с термоядерным реактором намного безопаснее так как он не выделяет ядовидых испарений и не сказывается пагубно на экологию, а из-за холатности какого-то из работников не произойдёт взрыв понесущий за собой большие потери населения и бюджета городов и близлежащих стран. (заключение) Целью моей работы было рассказать про термоядерную энергетику и доказать что термоядерная энергетика является самым перспективным, безопастным и экологичным способом добычи энергии, моя гипотеза была доказана и после всех приведённых выше фактов можно смело сказать что - теромоядерная энергетика это будующее планеты и наших детей. |