Проблема термоядерного синтеза. Перспективы термоядерной энергии.

Термоядерный синтез подразумевает использование специального топлива, в роли которого может быть использован Гелий-3. Это один из изотопов гелия. Термоядерный синтез - это когда происходит слияние двух или более атомных ядра в одно соединение. Это, например, слияние двух ядер водорода, как следствие мы получаем гелий. Во время термоядерного синтеза происходит выделение огромного количества энергии. Такое количество объясняется разницей в массе. Разница в массе объясняется тем, что масса частиц до реакции является выше, чем после их слияния. Именно эта разница и синтезирует выход энергии. Объяснить этот эффект можно с помощью формулы E = mc2, Но есть одна проблема. Для того чтобы синтезировать атомные ядра, нам нужно преодолеть силу электрического сопротивления и приблизить их друг к другу. Когда расстояние между ядрами чрезвычайно маленькая, то вступают еще сильнее силы протягивания ядер, что может обеспечить их объединения в одно целое. Провести такую реакцию возможно только при наличии сверхбольших температур. Температура должна быть настолько высокой, чтобы приблизить атомные ядра настолько друг к другу, после чего подействуют ядерные силы, которые необходимы для их объединения. От этого и пошло название термоядерного синтеза.

Во-первых, нужно нагреть газ до очень высокой температуры. Во-вторых, необходимо контролировать количество реагирующих ядер в течение достаточно долгого времени.В-третьих, количество выделяемой энергии должно быть больше, чем было затрачено для нагревания и ограничения плотности газа.Следующая проблема - накопление этой энергии и преобразование её в электричество

       С физической точки зрения задача формулируется несложно. Для осуществления самоподдерживающейся реакции ядерного синтеза необходимо и достаточно соблюсти два условия.

1. Энергия, участвующих в реакции ядер, должна составлять не менее 10 кэВ. Чтобы пошел ядерный синтез, участвующие в реакции ядра должны попасть в поле ядерных сил, радиус действия которых 10-12-10-13 с.см. Однако атомные ядра обладают положительным электрическим зарядом, а одноименные заряды отталкиваются. На рубеже действия ядерных сил энергия кулоновского отталкивания составляет величину порядка 10 кэВ. Чтобы преодолеть этот барьер, ядра при столкновении должны иметь кинетическую энергию, по крайней мере не меньше данной величины.

2. Произведение концентрации реагирующих ядер на время удержания, в течение которого они сохраняют указанную энергию, должно быть не менее 1014 с.см-3. Это условие - так называемый критерий Лоусона - определяет предел энергетической выгодности реакции. Чтобы энергия, выделившаяся в реакции синтеза, хотя бы покрывала расходы энергии на инициирование реакции, атомные ядра должны претерпеть много столкновений. В каждом столкновении, при котором происходит реакция синтеза между дейтерием (D) и тритием (Т), выделяется 17,6 МэВ энергии, т. е. примерно 3.10-12 Дж. Если, например, на поджиг затрачивается энергия 10 МДж, то реакция будет неубыточной, если в ней примут участие не менее 3.1018 пар D-T. А для этого довольно плотную плазму высокой энергии нужно удерживать в реакторе достаточно долго. Такое условие и выражается критерием Лоусона.

Если удастся одновременно выполнить оба требования, проблема управляемого термоядерного синтеза будет решена.

Однако техническая реализация данной физической задачи сталкивается с огромными трудностями. Ведь энергия 10 кэВ - это температура 100 миллионов градусов. Вещество при такой температуре удержать в течение даже долей секунды можно только в вакууме, изолировав его от стенок установки.

Но существует и другой метод решения этой проблемы - холодный термояд. Что такое холодный термояд - это аналог "горячей" термоядерной реакции проходящий при комнатной температуре.

В природе существует как минимум, два способа изменения материи внутри одной мерности континуума. Можно вскипятить воду на огне, т.е. термически, а можно в СВЧ печи, т.е. частотно

Принципы практического применения :Подобного рода открытие всегда интересовали военных. Во времена противостояния двух сверхдержав СССР и США был разработаны так называемые водородные боеголовки. Именно это оружие в настоящее время носит статус наиболее опасного оружия в мире. Если обратиться к теории, то термоядерным оружием можно уничтожить всю Землю. Основным препятствием в практическом применении данного вида ядерной реакции является именно невозможность достичь необходимой температуры для осуществления термоядерной реакции. Все еще не было изобретено материалов, которые могли бы удержать температурные нагрузки. При отсутствии подобных материалов, ученые решили применять для удержания плазмы мощное электромагнитное поле. Огромные мощные магниты способны удержать плазму. Такие устройства, или вернее установки, получившие название токамаки. В отличие от обычных ядерных реакторов, реакции по синтезу ядер являются экологически чистыми для окружающей среды и человечества. Остается только научиться строить термоядерные реакторы и электростанции. Международный экспериментальный термоядерный реактор. Стоимость и сложность построения реакторов подобного типа является дорогостоящим и сложным удовольствием. Чтобы решить эту проблему, было предложено объединить усилия мирового сообщества. В консорциум вошли Россия, США, страны ЕС, Индия, Китай, а также Южная Корея и Канада. В настоящее время происходит строительства одной такой установки (токамак), которая будет находиться на территории Франции. Ее стоимость составит около 15 миллиардов долларов США. Окончание строительства запланировано на 2019 год. А до 2037 года будут проходить соответствующие эксперименты. Если все сложится хорошо, то возможно, и мы еще застанем это время, когда будем использовать термоядерную электроэнергию у себя дома. На сегодня в энергетике все больше используют энергосберегающие технологии. Такие технологии предусматривают использование автономных электростанций, основанных на принципах когенерации и тригенерации. Следующим шагом в исследованиях должен стать Международный термоядерный экспериментальный реактор (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER). На этом реакторе планируется провести исследование поведения высокотемпературной плазмы (пылающая плазма с Q ~ 30) и конструктивных материалов для промышленного реактора. Окончательной фазой исследований станет DEMO: прототип промышленного реактора, на котором будет достигнуто воспламенение, и продемонстрирована практическая пригодность новых материалов. Самые оптимистичные прогнозы завершения фазы DEMO: 30 лет. Учитывая ориентировочное время на построение и введение в эксплуатацию промышленного реактора, нас отделяет ~40 лет от промышленного использования термоядерной энергии. Наиболее перспективен реактор-размножитель на быстрых нейтронах. Нейтроны в таком реакторе не замедляются графитом или водой, поэтому процесс превращения ядер урана-238 или тория-232 в делящиеся ядра идет гораздо быстрее. Для охлаждения такого реактора приходится применять жидкий натрий или гелий под давлением. Для создания таких реакторов необходимы очень высокий уровень технологии и решение ряда конструкторско-технологических задач. Отечественная атомная энергетика в этой многообещающей области занимает передовые позиции. Первый реактор на быстрых нейтронах работает в нашей стране с 1909 г. (мощностью 12 МВт), а с 1973 г. вступил в строй реактор на Шевченковской АЭС мощностью 150 МВт. Строится третий блок Белоярской АЭС мощностью 600 МВт, К 2000 г. следует ожидать широкого строительства реакторов-размножителей в развитых странах, что позволит в значительной степени решить энергетическую проблему. Но ученые активно пытаются решить более грандиозную проблему — создание гигантских электростанций, использующих управляемую реакцию синтеза легких ядер. Перспективы термоядерной энергетики :Еще в 1939 г. X. А. Бете предположил, что основным источником энергии звезд, и в частности Солнца, является ядерный синтез. При исключительно высоких «звездных» температурах и давлениях ядра водорода сливаются с -образованием ядер гелия и выделением значительной энергии. Запасов водорода и его тяжелого изотопа дейтерия в водоемах Земли достаточно, чтобы обеспечить человечество энергией на миллионы лет. Необходимо одно — создать надежную и экономичную технологию управляемого ядерного синтеза. В этой сложнейшей области ядерной науки советские ученые занимают одно из первых мест. Знаменитая лекция И. В. Курчатова в Харуэлле (Англия) в 1960 г. наглядно продемонстрировала успехи отечественной науки в области физики плазмы и открыла эпоху международного сотрудничества в области термоядерной энергетики. Выдающихся успехов достигли советские физики во главе с Л. А. Арцимовичем в 60—70-е годы в создании экспериментальных установок типа токамак, которые признаны наиболее перспективным прообразом будущих термоядерных реакторов. Разработанная на период до 2000 г. международная программа исследований позволяет рассчитывать на создание на пороге третьего тысячелетия так называемого демонстрационного термоядерного реактора, который даст возможность реально оценить перспективы энергетики синтеза легких ядер и послужит последним этапом на пути создания действующей установки. Впереди много работы, но с каждым годом крепнет уверенность в реальности создания термоядерной энергетики и, стало быть, решения энергетической проблемы. Ясно, что экономичность термоядерного реактора возрастает с увеличением его размеров и мощности.

 

⇐ Предыдущая12345678

Поделиться: