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


  • 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


  • ...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


  • ...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 начале нового тысячелетия почти весь мир столкнулся с новой, весьма болезненной проблемой — истощением топливных запасов планеты. Ученые с каждого угла кричали, что через 30 лет на земле не останется ни капли нефти. Но прошло уже 10 лет, и эти крики понемногу улеглись. Были найдены новые месторождения в Саудовской Аравии, в России разведали новые, огромные запасы сибирской и заполярной нефти. Единственная проблема — добраться до них, но учитывая сегодняшнюю стоимость «черного золота» на мировом рынке, это не будет составлять особого труда.
    Но беда, как известно, не приходит одна. С топливной проблемой пришла проблема загрязнения окружающей среды обитания человека. Продукты сгорания бензина и дизтоплива стали настолько насыщать атмосферу Земли, что экологи забили тревогу. Их главный девиз — «Парниковый эффект!» К сожалению, они до сих пор не могут определиться, чем он грозит нашей планете — глобальным потеплением или новым ледниковым периодом. Впрочем, одно не исключает другое. Сначала довольно сильно потеплеет, арктические льды растают, опять понизят температуру, но настолько сильно, что 2/3 суши (по самым пессимистическим прогнозам) покроется снегом и льдом.
    Что же делать? Отказаться от автомобильного транспорта и вообще от использования нефти и нефтепродуктов? В данный исторический отрезок времени это даже не теория, а какая-то фантазия Гринписа, если не сказать больше. Но нам надо как-то сберечь природу и при этом не нанести вреда экономике, как в мировом масштабе, так и в масштабе отдельной страны. И тут, к огромной радости почти всех экологов (почему почти — будет сказано ниже) на мировую топливную арену семимильными шагами выходит новое горючее — биодизель.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Теперь уже никто не сомневается, что в расстрельные 30-е годы прошлого века ничего прогрессивного в России существовать не могло. Старшее поколение стыдливо молчит, поскольку высказывать иную точку зрения ныне считается непатриотичным. А постперестроечное вообще не ведает, что в основе многих модных сейчас инновационных проектов лежат неосуществленные мечты почти восьмидесятилетней давности. Примером может служить история со сгущенным бензином.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Вопрос смесевых технологий при производстве бензинов давно уже интересует технологов, экологов, энергетиков, автомобилистов и просто любителей всяческих новшеств и современных технологий. Несмотря на множество позитивных моментов, так же как и на наличие определенных недостатков, однозначности в выводах пока еще не присутствует, что оставляет обширные пространства для размышлений и убеждений, похвалы и критики.

    • 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


  • 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...



  • Ветры бывают самые разнообразные: это и дующий десятки минут легкий бриз, и глобальные ветра — но все они существуют за счет солнечного нагрева планеты. Важными факторами влияния на атмосферную циркуляцию воздуха являются разность обогрева между экватором и полюсами, а также вращение нашей планеты, называемое эффектом Кориолиса. Сезонные колебания в скорости и направлении ветра являются результатом сезонных изменений из-за относительного наклона оси вращения Земли к Солнцу, которое, в свою очередь, изменяет паттерны разности обогрева. Ежедневные различия в обогреве атмосферы вызваны различным нагревом локальных областей поверхности земли, например, суши и океана. Еще движение воздуха осложняется целым рядом факторов глобального масштаба, таких как вращение Земли, а также сушей, горными хребтами и холмами, растительностью, океанами, морями и озерами. Из-за трения о поверхность земли, растительность и здания скорость ветра возрастает с увеличением высоты над поверхностью земли.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • ...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