Управляемый термоядерный синтез

Пнд, 05/18/2009 - 16:27

Еще в 1929 году астрофизики Р. Аткинсон и Ф. Хаутерманс высказали предположение о термоядерном происхождении звездной энергии. Примерно через десять лет Х. Бете, Л. Кричфилд и Г. Гамов рассмотрели два цикла термоядерных реакций, которые могли бы протекать в недрах Солнца и звезд: протонно-протонный и углеродно-азотный. В обоих циклах должно было синтезироваться ядро гелия с выделением энергии более 25 МэВ на каждое ядро. В настоящее время предположения Р. Аткинсона и Ф. Хаутерманса полностью подтвердились.

В дальнейшем выяснилось, что наиболее перспективной для производства энергии на Земле является реакция синтеза, в которой участвуют ядра изотопов водорода – дейтерий (D) и тритий (T). Схема такой реакции изображена на рис.1.

Процесс синтеза противоположен процессу деления, но также приводит к высвобождению ядерной энергии. Для того, чтобы исходные ядра могли слиться, они должны иметь относительную скорость, достаточную для преодоления барьера электростатического отталкивания. Так как высота этого барьера растет с увеличением зарядов взаимодействующих ядер, то для синтеза и выбираются ядра с минимальным зарядом, то есть изотопы водорода (их заряд минимален, так как ядро водорода и его изотопов включает в себя только один протон, а нейтрон электрического заряда не несет).


ТОРСАТРОН
Придать силовой линии магнитного поля вид спирали можно также при помощи внешних по отношению к плазме токов. Если такие токи имеют винтовую структуру (а этого можно достичь, пропустив ток по винтовым проводникам, «намотанным» на тор), то и линии магнитного поля имеют такой же характер. Схема, приведенная на рисунке 3а, близка к действительности. Спиральную обмотку составляют два винтовых проводника (двухзаходная винтовая обмотка), каждый из которых замыкается на себя после трех оборотов вокруг тора. Вообще количество проводников и число оборотов вокруг тора могут быть и другими. Так установка «Ураган - 3» (Харьковский физико-технический институт) имеет трехзаходную обмотку. На приведенной схеме один проводник отмечен желтыми стрелками, а другой красными. По ним можно проследить намотку проводников и направление тока в каждом из них. Винтовой ток можно представить в виде суперпозиции полоидального и тороидального (см. рис. 3б). А, следовательно, как и в токамаке, мы получим силовые линии магнитного поля в форме спирали.
Идея возможности создания плазменной ловушки с однонаправленными токами в винтовых проводниках принадлежит В.Ф. Алексину (Харьковский физико-технический институт). В 1961 году он изучал вопрос о существовании магнитных поверхностей в таком устройстве. В 1968 году эта идея была переоткрыта во Франции К. Гурдоном (C. Gourdon) с коллегами, а также независимо японцем К. Уо (K. Uo).

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.

Рассмотрим теперь основные проблемы УТС, которые интересовали физиков «плазмистов» в 1950-х годах.

Первая проблема – «горючее». Имеются фактически неисчерпаемые запасы дейтерия, однако тритий в естественном виде не существует, он распадается с периодом полураспада примерно 12 лет. Значит, его надо производить в самом реакторе, наиболее приемлемой в таком случае будет реакция распада ядра лития, бомбардируемого нейтроном, на ядро гелия и трития с выделением 4,8 МэВ энергии при каждом акте распада. Запасы лития в земной коре оцениваются примерно в 1 млрд. тонн и, кроме того, он содержится в морской воде (примерно 0,17 г/куб. метр). То есть, по оценкам специалистов, его запасов хватит для выработки достаточного количества трития, чтобы сделать УТС реальной альтернативой современным методам получения энергии.

Вторая проблема – нагревание горючего до температуры (отметим, что при необходимых температурах вещество находится в плазменном состоянии), при которой будет иметь место самоподдерживающаяся термоядерная реакция. Для определения такой температуры ученые исходили из следующего условия: выделяемая за счет термоядерной реакции мощность должна быть как минимум достаточной для поддержания условий этой реакции. При этом учитывались два основных эффекта: уносимая нейтронами энергия не должна учитываться, так как она не рассеивается в плазме; потери энергии в области горячей плазмы, где идут термоядерные реакции, будут происходить посредством излучения самой плазмы. Ясно, что при учете указанных эффектов условие самоподдержания будет выполнено, если выделяемая за счет реакций термоядерного синтеза мощность будет превосходить излучаемую. Такие оценки дают температуру порядка 45 млн. °С.

Другие материалы рубрики


  • ...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


  • 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


  • ...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


  • Недавно в новостях услышал информацию о том, что весной 2010 г. городское население планеты превысило сельское и составляет 51%. В 2020 г. городское население уже будет составлять 57%.
    Вроде бы ничего интересного. Сухая статистика.
    Но за этой статистикой просматривается очень настораживающая тенденция, если учесть, что за этот период население Земли вырастет с 6,8 до 8 миллиардов человек.
    Урбанизация растет огромными темпами.

    • 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


  • 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

  • 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.



  • 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


  • 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


  • 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