термояд. Термоядерная энергетика реальность и надежды

• Название: Термоядерная энергетика реальность и надежды
• Дата: 24.08.2019
• Размер: 345.77 Kb.
• Имя файла: термояд.docx
• Тип: Документы; #85343
• страница: 1 из 2

ТЕРМОЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА: РЕАЛЬНОСТЬ И НАДЕЖДЫ
Большие надежды в обеспечении энергетиче­ской и экологической безопасности возлагаются на освоение новых источников энергии и новых (аль­тернативных) способов получения электрической энергии. Они могут радикально улучшить исполь­зование веществ, вовлеченных в энергетические процессы, и значительно увеличить доступные для практического использования ресурсы планеты.

Прямое преобразование различных видов энер­гии в электрическую уже широко используется в автономных источниках энергии небольшой мощ­ности. За последние годы мощности этих устройств настолько возросли, что в перспективе некоторые из них (например, топливные элементы) могут найти применение в большой энергетике. Не осво­енным для нужд энергетики остается синтез легких элементов в управляемой реакции термоядерного синтеза (УТС), который может стать практически неисчерпаемым источником энергии.

Для использования в энергетике рассматривают три основные реакции:

Здесь D и Т - изотопы водорода - дейтерий и тритий, п, р - нейтроны и протоны, соответствен­но, ³Не, ⁴Не - трех- и четырехзарядные ядра гелия, т. е. альфа-частицы.

В реакции (1) рождаются нейтрон, альфа-ча­стица и 17,6 МэВ энергии, из которых 80 % прихо­дится на долю нейтрона.

Реакция (2) не дает нейтронов и последующей наведенной радиоактивности, но также сопровож­дается выделением большого количества энергии.

Реакция (3) может идти по двум путям: либо с выделением нейтрона и альфа-частицы, либо - протона и трития.

Наибольший интерес представляют реакции (1) и (2). Первая - благодаря наибольшему количеству выделяющейся энергии, вторая - вследствие более простого решения проблемы «топлива» и отсут­ствия наведенной радиации.

Одна из компонент «топлива» - дейтерий - сравнительно легко доступна. В природе дейтерий содержится в воде: один из каждых 6700 атомов во­дорода имеет дейтериевое ядро. Тритий радиоакти­вен, имеет период полураспада 12,3 г. и поэтому в природе в больших количествах отсутствует. Одна­ко его можно нарабатывать из лития или его солей, если изготовленной из них оболочкой (бланкетом) окружить стенки вакуумной камеры реактора. Ней­троны, вылетевшие из плазмы, при взаимодействии с литием отдают большую часть энергии на нагрев лития, но кроме того, каждый из них производит в среднем полтора атома трития. Дейтерий - тритиевое топливо для термоядерной электростанции обладает колоссальным энергосодержанием. Десят­ка килограммов такого топлива хватит, чтобы обеспечить энергией всю Украину в течении года.

Вторая проблема, возникающая при реализа­ции реакции (1), - наведенная радиация - обусло­влена трансмутацией ядер материалов, образую­щих структуру реактора и его компонентов, под действием быстрых нейтронов. Правильный выбор конструкционных материалов позволит поддержи­вать ее на безопасном уровне.

Реакция (2) привлекательна прежде всего тем, что необходимое для неё «топливо» - гелий-3 (³Не) - в огромных количествах (порядка 500 млн т) на­ходится на Луне. В недрах Земли его наберется не более нескольких сотен кг.

Сразу несколько стран заявили об амбициоз­ных планах добычи на Луне полезных ископаемых, прежде всего гелия-3: США, Россия, Китай, Ин­дия, Япония, Европейское космическое агентство и др. Так, например, США планируют сооружение на Луне промышленных установок по добыче гелия уже к 2024 г. Стоимость проекта оценивается ги­гантской суммой в 100 млрд долларов США. Тем не менее, специалисты считают этот проект не просто рентабельным, но и высокоприбыльным. Руководство НАСА пред­полагает сделать проект лунной базы международ­ным, по типу МКС.

Пока усилия физиков сосредоточены на техно­логическом воплощении реакции (1), т. е. на синте­зе дейтерия и трития. Заботы о топливе для УТС ка­жутся несколько преждевременными при анализе проблем с его реализацией, над которыми физики работают уже более 50 лет. (Производимого на се­годня в мире количества лития (5 кг) достаточно для запуска термоядерного реактора [1]). Много­летние исследования УТС показали, что создание промышленного реактора, как оказалось, - дело достаточно отдаленного будущего. Чтобы преодо­леть естественное электрическое отталкивание, ядра должны обладать значительной энергией Температура дейтерий-тритиевой смеси должна достигать, по крайней мере, 5*10⁷ К (4,5 кэВ). Дейтерий-тритиевая смесь в этом случае представляет собой плазму, состоящую из положительно заря­женных ядер и электронов. Поддержание такой высокой температуры в плазме было и остается до сих пор одной из важнейших задач термоядерных исследований. Охлаждение плазмы происходит в результате нескольких процессов: излучение элек­тромагнитной энергии при столкновениях заря­женных частиц, «унос» тепла быстрыми нейтрона­ми в огромных количествах, покидающих плазму, излучение, теплопроводность и турбулентная кон­векция частиц плазмы и др. Можно постоянно поддерживать реакцию, подводя энергию извне с помощью радиочастотных волн или пучков высокоэнергичных нейтральных частиц. Однако су­ществует эффективный самоподдерживающийся источник дополнительного тепла - быстрые альфа-частицы (с энергией около 3,5 МэВ), которые рожда­ются в плазме и отдают свою энергию ее частицам. Эти ядра гелия являются «золой» термоядерных ре­акций.

Чтобы запустить процесс самоподдерживающихся термоядерных реакций, необходимо какое-то время удерживать высокотемпературную плазму, изолировав ее от стенок. Возможные способы ре­шения этой задачи представлены на рис. 1 [1]. На Солнце и в звездах гравитация удерживает плазму постоянно, и поэтому реакция синтеза там идет при температурах (15 млн град) много ниже тех, которые необходимо создать на Земле.



Рис. 1. Способы удержания высокотемпературной плазмы [1]

Другой способ - это так называемое «инер­циальное удержание». Специальная, заранее под­готовленная мишень, содержащая термоядерное горючее высокой плотности, быстро обжимается ионными, лазерными или рентгеновскими пучка­ми для повышения температуры до критического значения, рис. 1. (Один из подобных приемов реа­лизован в водородной бомбе). Наконец, есть еще схема с использованием магнитного поля для тер­моизоляции плазмы, которая на сегодня является наиболее близкой к осуществлению в промышлен­ных масштабах. Впервые принцип тепловой изоля­ции плазмы электрическим полем с целью промы­шленной утилизации термоядерной реакции пред­ложил в 1945 г. О .А. Лаврентьев.

Произведение времени, за которое тепло уходит из плазмы, (времени удержания энергии или энерге­тического времени) и плотности плазмы n характе­ризует способность плазмы удерживать свое тепло и называется параметром качества удержания. Чтобы термоядерные реакции могли самоподдерживаться и давать полезную энергию, произведение n должно быть больше 2-10²⁰ с/м³ (критерий Лоусона), при тем­пературе T = 10 кэВ (около 10⁸ К). Таким образом, цель термоядерных исследований и разработок за­ключается в том, чтобы достичь значения произведе­ния трех величин: п, , Т около 2*10²¹ с-эВ/м³.

Наиболее близко к достижению этих условий подошли в настоящее время термоядерные устрой­ства, называемые токамаками. Предложенная в начале 1950 г. советскими физиками А.Д. Сахаро­вым и И.Е. Таммом, эта установка получила назва­ние от сокращения слов «