Управляемый термоядерный синтез

Пнд, 05/18/2009 - 16:27

Источник: журнал "Наука и техника"

Рис. 1 Термоядерная реакция синтеза ядер дейтерия (D) и трития (T):
кружочками с буквой p внутри условно обозначены протоны,с буквой n - нейтроны.

Проанализировав данные и учитывая то, что на нашей планете продолжается демографический взрыв (население увеличивается ежедневно примерно на 270 000 человек), очевидно, что темпы роста энергопотребления будут только возрастать. Даже для сохранения уже имеющейся ситуации с энергоснабжением необходимо ежедневно вводить в эксплуатацию электростанцию мощностью 500 МВт.

Однако мощности можно наращивать не безгранично, и естественным ограничением (кроме экологического фактора) является содержание энергоресурсов на нашей планете. Основными источниками энергии сейчас являются уголь, нефть, газ и тяжелые радиоактивные изотопы. Конечно, человек использует также энергию ветра, движущейся воды и излучения солнца, однако их суммарный вклад незначителен и, кроме того, они не могут удовлетворить потребности в энергии на сегодняшний день. Более того, так называемые альтернативные источники энергии также имеют естественные границы наращивания мощности, определяемые природоохранными нормами.


ТОКМАК
Основным отличительным свойством токамаков является наличие тока плазмы внутри тора. Ток в системе кольцевых проводников создает тороидальную составляющую магнитного поля (см. рис. 2 а). Так называют составляющую, которая направлена параллельно касательной к кольцевой оси тора в любом меридианном сечении. Тороидальный ток плазмы создает так называемую полоидальную составляющую магнитного поля, направленную параллельно касательной к контуру, который возникает в меридианном сечении тороидальной поверхности. Грубо говоря, тороидальная составляющая является продольной, а полоидальная охватывает кольцами ток в торе. Диаграмма сложения векторов (рис. 2 б) относится к одной выбранной точке и может быть распространена на другие точки наблюдения. В результате мы получим суммарную линию, объединяющую направления вектора магнитного поля и представляющую собой спираль. Таковой вкратце есть принципиальная схема удержания плазмы в токамаке. Более подробное рассмотрение необходимости наличия винтового магнитного поля в тороидальных установках является темой отдельного разговора и в данном изложении будет опущено.
Устройства типа токамак появились в Советском Союзе в Институте атомной энергетики имени Курчатова в 1950-х годах. В 1969 году Л.А. Арцимович продемонстрировал жизнеспособность таких установок, сообщив на Международной конференции в подмосковной Дубне результаты, достигнутые на токамаке Т - 3. На тот момент это были фантастические цифры (температура плазмы – 10 млн. градусов Кельвина). Такой успех обусловил фактически триумфальное движение идеи токамака по всему миру. Это направление подхватили в США, Великобритании, Франции, ФРГ, Японии и так далее.

Не для кого не секрет, что запасы угля, нефти и газа на нашей планете ограничены. Если еще несколько десятилетий назад их количество казалось огромным, а возможности их добычи практически неиссякаемыми, то сейчас их залежи оцениваются следующими цифрами: уголь - 1000 млрд. тонн; нефть – 950 млрд. баррелей; природный газ 120 000 млрд. куб. метров. В соответствии с прогнозируемыми темпами роста производства энергии запасы нефти будут израсходованы ориентировочно за 40-50 лет, газа – за 60-70 и угля примерно за 200 лет. При этом не следует забывать, что перечисленные ресурсы являются также сырьем для химической промышленности и используются не только для получения энергии. То есть из них получают современные конструкционные материалы, различные смазки, лекарства и многое другое. Причем человек уже не представляет себе жизнь без всего этого «набора» искусственных материалов. Хотя, конечно же, на такое производство уходит относительно малая (по сравнению со сжигаемой) доля энергоносителей.

Все более и более развивающаяся атомная энергетика также не сможет обеспечить долгосрочных потребностей человечества, по оценкам специалистов ядерного «топлива» хватит примерно на 300 лет.

Итак, мы выяснили, какие возможности имеет человечество для выработки энергии и почему производство последней так важно для него. Теперь естественно было бы задать вопрос по поводу того, что делать сейчас для того, чтобы обеспечить энергонезависимое будущее своим потомкам. Какие источники энергии смогут в относительно недалеком будущем обеспечить потребности растущего человечества. Оказалось, что такие источники существуют, и одним из самых перспективных среди них является утилизация энергии продуктов реакции термоядерного синтеза ядер легких элементов.

Другие материалы рубрики


  • 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


  • ...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


  • 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


  • ...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

  • 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.



  • 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


  • 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


  • 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...



  • 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


  • 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