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


  • ...В современных ВЭС воплощено множество технических идей, отвечающих последним достижениям науки. Вот далеко не полный перечень уникальных систем и механизмов, обеспечивающих эффективную и безопасную работу ветроэлектростанций: система динамического изменения угла атаки (изменяет угол заклинивания лопастей, удерживая тем самым нужный угол атаки); система динамического регулирования скорости вращения ветроколеса в зависимости от нагрузки и скорости ветра (выбирает оптимальный режим работы); система управления рысканием  — электронный флюгер (поворачивает гондолу с ВЭУ по особому закону с учетом доминирующего направления ветра, его порывов и турбуленции); система оперативного регулирования магнитного скольжения асинхронного генератора (используются усовершенствованные асинхронные генераторы с ротором «беличья клетка»)...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5


  • 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


  • ...Возможность установки ветрогенераторов также зависит от климата, а конкретнее – от средней скорости ветра в данной местности. Трудно спрогнозировать, каковы будут скорость и направление ветра в определенный момент. Но если рассматривать большие временные промежутки, соизмеримые со сроком эксплуатации ветряка, то можно довольно точно сказать, что, например, в течение года в месте его установки будет 4000 часов со скоростью ветра более 4 м/с, что обеспечит гарантированную генерацию, условно говоря, 1000 КВт·ч в год. В частности, у нас средняя скорость ветра составляет около 5 м/с, что вполне пригодно для получения ветровой энергии, так как рекомендуемая скорость ветра для этих целей 4 м/с и более.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • ...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


  • Ситуация с термоядерной энергетикой сегодня довольно любопытна и имеет общие черты с начинавшейся некогда «космической гонкой». Открытие способа, открывающего доступ к неограниченному источнику энергии, казалось бы, уже «витает в воздухе». Уже всерьёз проектируются термоядерные электростанции. Уже почти видна финишная ленточка и вопрос лишь в том, кто успеет раньше. Руководители развитых государств ревностно следят за «успехами» конкурентов в этой области и боятся остаться «не солоно хлебавши». Эти страхи умело эксплуатируют крупные исследовательские центры, работающие по данной проблеме, добиваясь щедрого финансирования. Вот-вот и пресса возвестит об открытии века...



  • 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


  • Если внимательно присмотреться к рынку многофункциональных преобразователей, то даже не смотря на всемирный спад и уменьшение продаж, многие производители не перестают выступать новые инверторы. Отчасти подобное связано с тем, что компании стараются привлечь внимание покупателей, частично из-за применения последних технологий.
    Несмотря на то, что источник бесперебойного питания купить можно в любом магазине, новинки не так быстро достигают конечного потребителя.



  • Чтобы получать тепло из снега, дождя и, что реже, града, нужен АТМОТЕРМ. Это устройство относится к стационарным приборам для нагревания текущих сред, использующий при прохождении данного процесса тепловой эффект экзотермической реакции образования гидроксида кальция из СаО, которая проходит при утилизации снежного покрова на месте его образования.
    Область применения устройства – генерация тепловой энергии для обогрева стен жилых и нежилых помещений, используя атмосферные осадки.
    Исследуя решения в данной области, мы не найдем наверняка устройства, объединяющего в себе функции переработки атмосферных осадков и обогревателя, работающего без подвода электроэнергии, при этом являясь таким экономичным, как атмотерм (экономичность смотрите дальше). Решения, предлагаемые другими авторами (смотри ниже) имеют ряд недостатков: потребляемость большого количества электроэнергии, узкая направленность технологий – только утилизация снега или только генерация тепловой энергии, сложность устройства, лежащее в наличии большого количества комплектующих компонентов, таких как ИК-излучатели и другие подобные устройства.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Многие десятилетия неизменным элементом пейзажа промышленной нефтедобычи являлись грандиозные факелы, в которых сгорал попутный газ — неизбежный спутник нефтедобычи. Громадные шлейфы дыма простирались на десятки и сотни километров и были прекрасно видны даже из космоса. Так было долго и казалось, что так будет всегда. Но все меняется в этом мире, и иногда — в лучшую сторону.

    • 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