Топливо будущего Гелий-3

Сб, 10/03/2015 - 21:40

Управляемый термоядерный синтез

Современное отработанное производство ядерной энергии базируется на двух принципиальных возможностях: выделении ее при делении тяжелых ядер; и на синтезе (слиянии) легких. Промышленная атомная энергия вырабатывается только за счет реакции деления ядер урана. С термоядерной же энергией человечество знакомо пока только по водородной бомбе. Установок, осуществляющих управляемый синтез, до сих пор нет, хотя над решением проблемы наука бьется более полувека. В настоящее время удалось почти вплотную приблизиться к цели. Полагают, она будет достигнута в ближайшие годы при реализации проекта Международного экспериментального термоядерного реактора. Его строительство ведется во Франции силами Евросоюза, США, России, Японии, Китая, Южной Кореи. Это будет ядерная реакция дейтерия (D) — тяжелого стабильного изотопа водорода с тритием (T) — тяжелым радиоактивным изотопом водорода. В результате образуются — основной изотоп гелия (4He) и нейтроны (n):

D + T = n (14,07 МэВ) + 4He (3,52 МэВ)

К сожалению, проблема радиоактивного загрязнения относится и к синтезу (D + T), хотя опасные отходы в этом случае меньше, чем при делении урана.
Реакция дейтерия с гелием-3 (3He) требует более жестких условий, т.е. очень высоких температур. Однако энергетически она весьма эффективна:

D + 3He = p (14,68 МэВ) + 4He (3,67 МэВ),
где p — протон.

При этом самое привлекательное в этой реакции то, что синтез, основанный на использовании изотопа 3He, может быть экологически чистым. Кажется фантастическим, что существует термоядерный процесс, практически не несущий радиоактивность. Но это — факт.

В ядерных реакциях, в том числе синтеза (D + T), выделяется мощный, пронизывающий все вокруг, поток нейтронов — быстрых незаряженных (нейтральных) частиц. Они легко проникают внутрь любых материалов, взаимодействуют с химическими элементами и делают их радиоактивными. В итоге возникающих повреждений материалы быстро становятся непригодными к дальнейшему употреблению, требуют изъятия и захоронения. В реакции же (D + 3He) выделяются не нейтроны, а протоны. Именно в этом ее уникальность, обеспечивающая ряд существенных преимуществ:
во-первых, протоны — заряженные частицы и не проникают в глубь материалов. Поэтому в отличие от нейтронов они не делают их радиоактивными;
во-вторых, в отсутствие нейтронного облучения конструкционные элементы термоядерного реактора с применением гелия-3 могут служить очень долго по сравнению с аналогами, использующими реакцию (D + T), и урановыми реакторами;

в-третьих, поскольку протоны — заряженные частицы, а электрический ток — поток заряженных частиц, становится реальным прямое преобразование термоядерной энергии в электрическую, минуя тепловую. Это позволит в случае гелия-3 применить гораздо более эффективные инженерные решения для отбора энергии и в целом почти вдвое поднять КПД указанного процесса преобразования;
в-четвертых, практическое отсутствие радиоактивности и взрывоопасности делает установки термоядерного синтеза на гелие-3 совершенно безопасными в аварийных условиях, в том числе при природных катастрофах, террористических актах и т.п.

Но все же, справедливости ради, следует отметить, — некоторая радиоактивность в основной реакции все-таки присутствует, она связана с побочной реакцией (D + D), идущей с выделением нейтронов. Но с увеличением температуры и при избытке гелия-3 в смеси с дейтерием влияние этого побочного «фона» сводится к минимуму.
Идеальным решением явилось бы использование чисто гелиевой реакции:

3He +3He = 2p + 4He (12,9 МэВ)

Однако осуществить ее на практике сложно, и это вопрос более отдаленного будущего.

Профессор Джералд Калсински — один из пионеров в исследовании проблемы термоядерного синтеза на гелии-3 — на семинаре с участием экспертов рассказал о состоянии исследований этой проблемы в США, в частности, об экспериментах на установках с инерционным электростатическим синтезом или инерционным электростатическим удержанием плазмы. Суть процесса состоит в том, что между двумя концентрическими сферическими сетками прилагается сверхвысокое напряжение порядка 100 кВ. В объем впрыскивают и ионизируют He+D. Под действием разности потенциалов ионы устремляются от периферии к центру и сталкиваются с энергией, достаточной для возбуждения термоядерной реакции. Возникновение синтеза (D+3He) экспериментально продемонстрировано. Построены опытные установки нескольких типов. Выход термоядерной энергии при этом еще довольно мал по сравнению с подводимой для начала реакции. Любая энергетическая установка становится экономически целесообразной, когда отношение получаемой энергии к той, что необходима для поддержания процесса, больше единицы, и пока составляет ничтожную величину. Правда, как считает исследователь, нет фундаментальных трудностей для решения этой проблемы. Они в основном носят инженерный характер, причем разрешение их в рамках последовательных проектов вплоть до построения реактора, дающего полезную энергию, потребует не столь значительных средств. Речь идет о 10…15 годах и 6…8 млрд. дол., а также, прежде всего, серьезном внимании к проблеме и адекватном наращивании экспериментальных и теоретических работ.

К этому следует добавить, что, по мнению французского исследователя П.Е. Штотта, высказанном в августе 2005 года в британском журнале «Физика плазмы и управляемая реакция», «даже при самых благоприятных обстоятельствах зажигание реакции (дейтерия и гелия-3) предъявляет... куда более высокие требования к характеристикам плазмы, чем для (начала реакции) дейтерия и трития». С ним полностью согласен академик Евгений Велихов — президент российского научного центра «Курчатовский институт»: «Прежде чем привозить гелий, надо научиться его сжигать, для этого не надо лететь на Луну».
В перспективе, как заявляют специалисты, для экспериментов и для достаточно мощного опытного термоядерного генератора достаточно этого изотопа и земного происхождения, так как он образуется из радиоактивного трития с периодом полураспада 12,3 года. На Земле накоплены значительные количества этого элемента, используемого в термоядерном оружии. Только за счет естественного распада запасенного трития образуется 15…20 кг гелия-3 в год. В распоряжении России и США в общей сложности имеется несколько сот килограммов искусственно полученного этого вещества.

Другие материалы рубрики

  • При минусовой температуре проблемы с запуском двигателя гарантированы. Это знает каждый опытный автомобилист, которому не раз приходилось подолгу просиживать в холодном салоне, пытаясь завести автомобиль. А вот о причинах этих самых проблем думает далеко не каждый водитель. Еще до того, как температура опустится ниже нуля, важно сменить все жидкости в автомобиле на незамерзающие. Это касается моторного масла, охлаждающей жидкости, жидкости в бачке омывателя. Нужно тщательно смазать стартер и прочие системы мотора, от этого также зависит степень прилагаемых для запуска двигателя усилий в сильный мороз.



  • Экспоненциальный рост населения и истощение природных ресурсов заставляют ученых придумывать самые невероятные проекты по спасению планеты. Один из них — космические электростанции, передающие на Землю энергию Солнца посредством микроволнового излучения. Технология эта не столь фантастична, как может показаться на первый взгляд.
    Вполне возможно, что лет через тридцать на геостационарной орбите обоснуется группировка объектов, каждый из которых будет подозрительно напоминать «Звезду смерти». Необъятные зеркальные крылья, нечто вроде электромагнитной пушки и наземная приемная антенна километров десять в диаметре — так будет выглядеть система глобального энергоснабжения.
    Вернее, такой ее представляли конструкторы еще в 1970-х. И уже тогда это не было научной фантастикой! В связи с энергетическим кризисом американское правительство выделило $20 миллионов агентству NASA и компании Boeing на проработку проекта гигантского спутника SPS (Solar Power Satellite).



  • ...После более чем столетия нескончаемых усовершенствований двигатель внутреннего сгорания все еще имеет коэффициент полезного действия около 16%. КПД всех тепловых двигателей ограничено циклом Карно. Теоретически, даже при идеальных условиях тепловой двигатель, используемый для приведения в движение автомобиля или электрогенератора, не может преобразовать всю тепловую энергию в механическую. Некоторая часть тепла теряется. В двигателе внутреннего сгорания тепло подается от источника с высокой температурой (Т1), часть энергии преобразуется в механическую и оставшаяся часть выбрасывается при низкой температуре (Т2). Чем больше разность между этими температурами, тем выше КПД двигателя...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • ...В 1949 году О. А. Лаврентьев предложил плазменное решение проблемы синтеза легких ядер в виде электростатической ловушки, однако на тот момент плазма оказалась наименее исследованным состоянием вещества и каждый раз преподносила новые «сюрпризы». Как правило, эти неприятные «подарки» представляли различного рода неустойчивости, приводившие к срыву необходимых режимов работы установок. Осуществление в 1951 году неуправляемой термоядерной реакции в земных условиях в ходе испытательного взрыва водородной бомбы стимулировало проведение исследований, связанных с управляемым термоядерным синтезом (УТС), как источником энергии. Систематические исследования проблемы УТС начались примерно одновременно в Англии, СССР и США в обстановке глубочайшей секретности, так как предполагалось, что их результаты могут найти применение в военных целях. Такие исследования, постепенно приближая решение задачи УТС, привели к развитию целого ряда «побочных» плазменных технологий, которые используются сейчас повсеместно.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Сначала приведем высказывание российского геофизика Е.П. Борисенкова о прошлом человечества:
    «Причины гибели или упадка некоторых цивилизаций, а также многие неблагоприятные социальные явления в период средневековья так же, как и в древней истории, были связаны с экологией.
    Если мышление человека античности в ряде случаев было настолько эгоистичным, что, несмотря на свои выдающиеся по тому времени научные и естественные познания, он не думал о связи между лесом, водой, почвой и последствиями своей деятельности, то и в период средневековья человечество ушло от этого уровня понимания не очень далеко».

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Непредельные углеводороды в небольшом количестве (около 5%) являются практически единственным не содержащимся в природной нефти классом соединений, образующимся в заметных количествах при проведении процесса на кобальтовых катализаторах. Их содержание в нефти не нормируется, а их получение является одной из основных целей нефтехимической переработки природной нефти.
    Таким образом, по всем показателям, определяемым стандартом, СЖУ (синтетические жидкие углеводороды) могут быть отнесены к наиболее ценным сортам нефти. С экономической точки зрения наиболее рациональным использованием СЖУ была бы их раздельная транспортировка с промыслов как более ценного и дорогостоящего продукта, особенно с точки зрения отсутствия серосодержащих соединений и высокой концентрации легких (светлых) фракций.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Нефте- и газодобыча уже в течение многих лет — ведущие отрасли российской экономики. В иные периоды они давали до 50% поступлений в федеральный бюджет. Это стало возможным только после введения в эксплуатацию крупнейших месторождений Западной Сибири. Поиск месторождений, ставших открытием века, стоил огромного труда. Основной вклад в него внесли сибирские геологи.
    Чтобы понять, где и как искать нефть, — а ее считают самым труднодоступным богатством планеты, — надо знать, как она образуется. В 1932 году была опубликована классическая работа основоположника советской нефтяной геологии Ивана Михайловича Губкина (1871-1939) «Учение о нефти», которая сыграла огромную роль в развитии представлений о происхождении нефти и формировании ее залежей. Он сформулировал четыре этапа образования нефтяных запасов, которые и сегодня лежат в основе научных воззрений о процессах нефтеобразования.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Солнце — основной источник энергии на планете. В полдень на низких широтах плотность потока энергии солнечного излучения близка к 1 кВт/м²,, в среднем по освещенной части земного шара — 350 Вт/м². Потенциальный ресурс энергии огромен. Ей соответствует мощность 6,7∙1016 Вт. Теоретически КПД преобразования энергии может достигать 93%. Сейчас он составляет 10…30%. КПД определяет технический ресурс, равный произведению КПД на потенциальный ресурс.
    В настоящее время энергия солнечного излучения используется мало из-за относительно низких значений плотности потока энергии (100 — 1000 Вт/м²).
    Разрабатываются проекты создания солнечных энергосистем на геостационарной орбите с мощностью 1…10 ГВт. Передачу энергии на Землю планируется осуществлять при помощи мощных электромагнитных пучков на длине волны около 5…10 см.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Еще с незапамятных времен люди использовали энергию ветра.
    Первоначально человек научился преобразовывать кинетическую энергию воздушного потока (ветра) в механическую. Появилось огромное разнообразие ветряных мельниц, значительно облегчивших жизнь людей того времени.
    Идея ветрогенератора для выработки электрической энергии с использованием энергии ветра появилась чуть более 100 лет назад.
    Пытливая мысль изобретателей создала огромное разнообразие конструкций ветроустановок:
    — по расположению оси вращения лопастей (горизонтальная, вертикальная, наклоненная);
    — по количеству лопастей (одна, две, три и более);
    — по мощности (от десятков Ватт до нескольких МВатт);
    — по форме лопастей, по конструкции генераторов и т.д.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Еще в 212 году до н. э. древнегреческий ученый Архимед использовал светоотражающие свойства бронзовых боевых щитов для того, чтобы сосредоточить солнечный свет и поджечь вражеские деревянные суда римлян, осаждающих его родной город Сиракузы. Но прошло почти полтора тысячелетия, за время которых люди продолжали греться на солнышке, не задумываясь, какой мощный источник представляет собой это божественное дневное светило. И лишь в 1600 г. во Франции был создан первый солнечный двигатель, работавший на нагретом воздухе и использовавшийся для перекачки воды. В конце XVII в. ведущий французский химик Антуан Лоран Лавуазье создал первую солнечную печь, в которой достигалась температура в 1650°С и нагревались образцы исследуемых материалов в вакууме и защитной атмосфере, а также были изучены свойства углерода и платины. В 1833 г. в США Дж. Эриксон построил солнечный воздушный двигатель с параболоцилиндрическим концентратором размером 4,8х3,3 м. Первый плоский коллектор солнечной энергии был построен французом Ш.А. Тельером. Он имел площадь 20 м2 и использовался в тепловом двигателе, работавшем на аммиаке.

    В 1866 г. французский математик Август Мушо построил в Алжире несколько крупных солнечных коллекторов, ставших прообразами современных, и использовал их для дистилляции воды и приводов насосов. На всемирной выставке в Париже в 1878 г. А. Мушо продемонстрировал солнечную печь для приготовления пищи, в которой 0,5 кг мяса можно было сварить за 20 минут. Первая крупномасштабная установка для дистилляции воды была построена в Чили в 1871 г. американским инженером Ч. Уилсоном. Она эксплуатировалась в течение 30 лет, поставляя питьевую воду для рудника. В 1890 г. профессор В.К. Церасский в Москве осуществил процесс плавления металлов солнечной энергией, сфокусированной параболоидным зеркалом, в фокусе которого температура превышала 3000°С. Однако только в 1980-е годы были созданы первые крупномасштабные солнечные электрогенераторы.

    • Страницы
    • 1
    • 2