Энергия термоядерного синтеза

 

 

Кроме деления тяжёлых ядер, идущего с выделением энергии, возможен синтез лёгких ядер, при котором выделяется ещё большая энергия. Однако этот синтез может происходить только при очень высокой температуре и давлении. Эти условия необходимы для преодоления кулоновского отталкивания заряженных ядер и сближения их до расстояний, когда начинают действовать силы ядерного притяжения.

В качестве термоядерного горючего используются изотопы водорода - дейтерий и тритий. Первый входит в состав молекулы тяжёлой воды, в небольшом количестве, содержащейся в обычной воде. Второй может быть получен из лития посредством указанной реакции.

Сейчас возможно осуществление только неуправляемая термоядерная реакция (термоядерный взрыв), над осуществлением управляемого термоядерного синтеза (УТС) работают учёные России, США, Японии, Франции, Великобритании. Существующие опытные установки ещё не могут обеспечить начало УТС - зажигания дейтериево-тритиевой смеси, но достигнутые до настоящего времени результаты обнадёживают, и скоро уже будет построена первая промышленная установка, на которой будет осуществляться управляемый термоядерный синтез.

 

 

Энергия, выделяющаяся при термоядерной реакции, пропорциональна разности энергии связи синтезированного вещества (в случае с дейтерием и тритием это гелий) и энергии связи исходных веществ (дейтерия и трития). Коэффициент пропорциональности равен скорости света в квадрате.

В целом, УТС является весьма выгодным, дешёвым, экологически чистым способом получения энергии. КПД теоретической термоядерной электростанции (ТЯЭС) будет достигать 38% - что является достаточно высоким показателем.

Установки управляемого термоядерного синтеза (УТС)

 

 

Основные направления развития УТС идут по двум путям: УТС в ТОКАМАКАХ и лазерный УТС.

ТОКАМАК - аббревиатура, предложенная русскими учёными, расшифровывается как ТОРидальная КАмера с МАГ (К) нитным полем. Возможно, из соображений благозвучия Г заменено на К.

 

 

ТОКАМАК представляет собой трансформатор, первичная обмотка которого не имеет каких - либо существенных особенностей, вторичной " обмоткой" является шнур ионизированной смеси дейтерия и трития. Дополнительными катушками продольного поля осуществляется удержание плазмы в нужном состоянии. Так как плазма является вторичной " обмоткой", то в ней индуцируется ток, который и осуществляет подогрев плазмы до требуемой температуры. На крупнейшей установке этого типа - " ТОКАМАК-15" - расположенной в России, возможно удержание плазмы в течение нескольких секунд, и для " зажигания" дейтериево-тритиевой смеси требуется только повышение температуры и давления всего на несколько порядков.

Другим способом осуществления УТС является лазерный УТС. Схема этого способа представлена на рисунке. Сначала идёт облучение DT-мишени, затем следует сжатие мишени и её микровзрыв с выделением большого количества энергии. В целом этот способ перспективен и может быть использован в том случае, когда будут сконструированы лазеры с высоким КПД. Разработка этого способа осуществления УТС также ведётся во многих странах мира, построены установки для проведения опытов с лазерным управляемым термоядерным синтезом, в том числе и в нашей стране. Лазерный УТС будет весьма эффективен после создания мощных лазеров с высоким КПД (КПД современных лазеров большой мощности едва достигает 5%).

 

Мюонный катализ

 

 

Мюонный катализ управляемой термоядерной реакции является альтернативным вариантом двум приведённым выше способам. С помощью мюонного катализа можно не создавать поистине " звёздные" условия для проведения УТС. В чём же заключён этот способ? Всё дело в мезонах. Мю-мезон, неся заряд, равный заряду электрона, тяжелее его более чем в 250 раз, из-за чего мезонная молекула имеет меньший диаметр, вследствие чего возможно сближение ядер мезонной и обычной молекул до расстояний, когда начинают действовать силы притяжения: ядро мезонного атома водорода и ядро атома дейтерия соединяются в одно - происходит синтез, сопровождающийся выделением энергии.

С появлением мощных ускорителей мюонный катализ был осуществлён по схеме, представленной на рисунке. " В чём же дело? - спросите Вы, - почему нет электростанций, использующих этот способ? " Вся беда в том, что время жизни мюона очень мало, и он успевает " просинтезировать" только две-три пары водород-дейтерий, а после - взрывается; для того, чтобы получить хотя бы один мю-мезон, нужно затратить энергию около 300 МэВ, а после прохождения одной реакции каталитического синтеза выделяется всего 5, 4 МэВ, то есть, как видно, энергетические затраты на получение одного мюона несопоставимы с выделяющейся энергией, и поэтому установки, осуществляющие мюонный катализ, имеют только научное значение. Учёным, работающим в этой области, нужно искать способ продления более чем короткую жизнь мю-мезона.

 

Термоядерное оружие

 

В настоящее время возможно только осуществление неуправляемого термоядерного синтеза, происходящего при взрыве водородной бомбы.

Первая водородная бомба была создана в СССР в 1953 году при участии Курчатова, Сахарова и Тамма.

 

 

Одна из возможных конструкций водородной бомбы представлена на рисунке. Термоядерным зарядом является твёрдое вещество LiD (дейтерид лития). В качестве детонатора используется атомная бомба. Сначала происходит её взрыв, сопровождающийся резким ростом температуры, давления, электромагнитным излучением, возникновением мощного потока нейтронов, в результате указанной реакции которых с изотопом лития образуется тритий.

Наличие дейтерия и трития при высокой температуре инициирует термоядерную реакцию, сопровождающуюся колоссальным выбросом энергии.

Если корпус сделан из природного урана U - 238, то быстрые нейтроны вызывают в нём новую неуправляемую цепную реакцию деления. Возникает третья фаза взрыва водородной бомбы.

Таким образом, создаётся термоядерный взрыв огромной, почти неограниченной мощности.

Самый мощный когда-либо созданный термоядерный боеприпас: советская авиабомба " Татьяна" мощностью 50 Мт (! ) (" Кузькина мать" Н.С. Хрущёва? ).

Существует также особый вид термоядерного боеприпаса, называемый нейтронной бомбой. Она представляет собой термоядерный заряд малой мощности (1 - 2 кт), но, если в обычной водородной бомбе на такой поражающий фактор, как проникающая радиация, расходуется около 5% энергии взрыва, то в нейтронной - более 30%. Исходя из этого, можно сделать вывод, что это оружие сделано специально для уничтожения живых существ, в том числе - и человека. Поэтому нейтронная бомба относится к варварскому оружию, как и термоядерная.

 

МГД - генератор

 

Один из современных многообещающих и эффективных методов получения электроэнергии основан на использовании магнитогидродинамического эффекта, т.е. на новом остроумном применении закона электромагнитной индукции, открытого Фарадеем более полутора столетий назад. Магнитогидродинамический эффект позволяет сконструировать генератор электрического тока без движущихся частей. В чём же здесь дело? Любой газ при высокой температуре ионизирован, т.е. электроны его атомов способны двигаться независимо от ядер и таким образом служить носителями электрического тока. При прохождении ионизированного газа с большой скоростью поперёк магнитного поля в нём возникает электрический ток, который может быть отведён электродами.

Можно усмотреть парадокс в том, что МГД - генератор основан на законе Фарадея, как и обычные генераторы электрического тока. Но этот закон однозначно допускает возбуждение тока и в том случае, когда используются жидкие или газообразные проводники.

МГД - генератор обладает тем незаменимым преимуществом, что в нём не используются вращающиеся детали, следовательно, отсутствуют потери на трение. Вместе с тем он вырабатывает только постоянный ток и требует очень высоких температур, при которых газ ионизируется, а значит, и соответствующих материалов, способных без серьёзных повреждений выдерживать такие температуры. Для создания МГД - генераторов нужны мощные источники проточных газов. Реальными устройствами, удовлетворяющими строгим требованиям, предъявляемым к таким источникам, являются ракетные двигатели. Важной вехой в развитии МГД - генераторов послужило введение в проточные газы ионизирующих добавок, например, углекислого калия, что позволяет снизить температуру ионизации газов до 1500 градусов Цельсия и ниже. Большой успех в технической отработке использования МГД - генераторов для производства электрической энергии был достигнут благодаря комбинации магнитогидродинамической ступени с котельным агрегатом. В этом случае горячие газы, пройдя через генератор, не выбрасываются в трубу, а обогревают парогенераторы ТЭС, перед которыми помещена МГД - ступень. Общий КПД таких электростанций достигают небывалой величины - 65%.

В последние годы МГД - электростанциям уделяют очень большое внимание, особенно в нашей стране. С 1965 г., когда в Москве начала работать первая станция У - 02, советские конструкторы достигли заметного прогресса в этой области техники.

К 1980 г. в СССР предполагалось построить несколько промышленных МГДЭС с единичной электрической мощностью до 200 МВт.

В заключение этой темы хочется упомянуть об утопическом (во всяком случае, сегодня) проекте профессора Полетавкина. Учёный предложил использовать " плазменный ветер", который " дует" в космическом пространстве за пределами земной атмосферы, но на высотах, достигаемых ИСЗ. В тех местах, где этот " ветер" пересекает под прямым углом силовые линии магнитного поля Земли, по сути дела, образуется гигантский МГД - генератор. Полетавкин предложил поместить на этой высоте некие собирающие электроды. Энергия, полученная таким способом, была бы весьма дешёва, сложность существует лишь в том, как соединить эти электроды и потребителя, расположенного на земле.

Устройство МГД - генератора.

 

 

Схематическое устройство МГД - генератора представлено на рисунке: канал, по которому перемещается ионизированный газ, заключён между полюсами сильного электромагнита, который питается за счёт самого генератора. На канале расположены обкладки, с которых снимается индуцированная ЭДС, и направляется к потребителю R.

Принцип работы МГД - генератора очень прост и аналогичен принципу работы обычных электрогенераторов: поток плазмы, то есть ионизированного газа, проходящий между разноимёнными полюсами сильного магнита, создаёт на обкладках электродов разность потенциалов - и через сопротивление потребителя R идёт постоянный электрический ток. Возможно объединение нескольких таких конструкций в замкнутое кольцо, где нужную температуру и скорость плазмы будет поддерживать компрессор - подогреватель К-П (на малом рисунке).

Заключение

 

Вот и закончено это длительное повествование. Путь, который проделало человечество за несколько тысяч лет, уместился в 39 страницах. Но это - не предел, так как человеческая мысль не знает границ, и, возможно, через несколько десятков лет работа по аналогичной теме, содержащая только описание и иллюстрации, едва уместилась бы на 100 страницах. Почему? Потому что поиск новых источников энергии не закончен; существует большое количество так называемых альтернативных источников энергии, даровых двигателей, использующих, например, изменение атмосферного давления или радиоактивное излучение.

Люди будущего, я думаю, сумеют найти ещё великое множество способов для получения энергии, а также для её экономного использования, так как они будут жить в других условия и они будут значительно умнее и опытнее нас, потому что учиться они будут на наших ошибках и недочётах. Я считаю, что пройдёт совсем немного времени, и многие двигатели, такие, как двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины, займут своё место в музее, а их место займут МГД-генераторы, атомные реакторы и установки УТС, и Мир перестанет ощущать недостаток в энергии, потребность в которой становится всё больше и больше.

Я, как автор этой работы, выражаю благодарность своему руководителю за помощь во многих теоретических вопросах.

Я выражаю благодарность учителю информатики, Колосову Алексею Михайловичу, за помощь в создании презентации моей работы.

Я выражаю благодарность организатором конкурса за предоставленную возможность выступить со своей работой и высказать свою точку зрения по многим вопросам энергетики.

Я считаю, что моя работа может быть использована в качестве дополнительной литературы в школах для уроков физики и истории.

Список использованной литературы

 

1. Веников В.А., Журавлёв В.Р., Филиппова Т.А. Энергетика в современном мире.

2. Гладков К.А. Энергия атома.

3. Касьянов В.А. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений.

4. Кирьянов А.П., Коршунов С.М. Термодинамика и молекулярная физика.

5. Кухлинг Х. Справочник по физике.

6. Левин М.И. Машина-двигатель.

7. Свитков Л.П. Термодинамика и молекулярная физика.

8. Тёльдеши Ю., Лесны Ю. Мир ищет энергию.

9. М.: " ВЕЧЕ" 100 великих изобретений.

[1] МГД-генератор - магнитогидродинамический генератор.

[2] ДВС – двигатель внутреннего сгорания.

[3] ЭДС – электродвижущая сила.

⇐ Предыдущая123456

Поделиться: