Energia termoyadernogo sinteza i vozmozhnosti ee primenenia v energetike
advertisement
МинистерствонаукиивысшегообразованияРоссийской Федерации Федеральноегосударственноебюджетноеобразовательноеучреждениевысшего образования ИРКУТСКИЙНАЦИОНАЛЬНЫЙИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Институт экономики,управления и права Кафедра экономики и цифровых бизнес-технологий Доклад на тему «Энергия термоядерного синтеза и возможности ее применения в энергетике» Иркутск,2024 Содержание Введение ..................................................................................................................... 3 Управляемый термоядерный синтез ....................................................................... 3 Основные проблемы ................................................................................................. 4 История УТС.............................................................................................................. 4 Физика процесса ........................................................................................................ 4 Реакторы УТС ............................................................................................................ 5 Типы реакций............................................................................................................. 7 Условия термоядерной реакции ............................................................................ 10 Конструкция реакторов .......................................................................................... 10 Опасность термоядерного реактора ...................................................................... 11 Преимущества и недостатки .................................................................................. 11 Заключение .............................................................................................................. 12 Источники информации ......................................................................................... 13 Введение Потребности человечества в энергии из года в год растут. Сжигание огромного количества органического топлива в тепловых электростанциях неразумно и не обходится без последствий (количество двуокиси углерода в атмосфере удваивается каждые сорок лет). Необходимость уменьшения техногенного давления на природу, повышенные требования к безопасности, а также невозможность удовлетворения «энергоголода» за счет возобновляемых источников энергии заставляет человечество искать новые источники энергии. Ядерная энергетика, экономически эффективна, т.к. использует относительно дешевое топливо при его огромных запасах. Однако она производит много радиоактивных отходов и не может пользоваться популярностью среди населения из-за ряда событий последних лет, связанных с загрязнением окружающей среды. Гораздо более безопасным с точки зрения охраны окружающей среды является использование энергии синтеза легких ядер - управляемый термоядерный синтез. По такому же принципу работают и реакторы, созданные природой - звезды. Управляемый термоядерный синтез Управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии. В отличие от взрывного термоядерного синтеза, используемого в термоядерных взрывных устройствах, носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий (2H) и тритий (3H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (3He) и бор-11 (11B). В центре Солнца из ядер обычного водорода сначала образуется его тяжелый изотоп дейтерий, из которого в ходе серии дальнейших реакций рождается гелий. Масса ядра гелия на 0,7% меньше массы ядер водорода, из которых оно образовалось. По формуле Эйнштейна Е = mc2 эта разница в массе превращается в энергию. Эта энергия получается от Солнца в виде света и тепла. Но процесс синтеза идет очень медленно. Особенно первый его этап, когда два ядра водорода сливаются в ядро дейтерия. Характерное время этой реакции исчисляется миллиардами лет. Поэтому удельная мощность термоядерных реакций в центре Солнца, как ни странно, совсем невелика — около 200 Вт/м3. Примерно в таком же темпе выделяется энергия в теле человека. Лишь за счет гигантских размеров солнечный термоядерный реактор производит поток энергии, достаточный для поддержания жизни на нашей планете. Для земной энергетики мощности 200 Вт/м3, конечно, абсолютно недостаточно. К счастью, можно обойтись без самой медленной реакции — синтеза дейтерия, поскольку он существует на Земле в готовом виде. По одному его ядру приходится на 6700 ядер водорода. В каждом кубометре воды содержится 110 кг водорода и 33 г дейтерия. Казалось бы, немного, но, если этот дейтерий сжечь в термоядерных реакциях, выделится столько же энергии, как при сгорании 200 т бензина. Так что запасы термоядерного топлива на Земле легко доступны и неисчерпаемы. Основные проблемы Для получения энергии на основе управляемого термоядерного синтеза нужно выполнить три условия. Во-первых, требуется чрезвычайно высокая температура. В центре Солнца она составляет около 15 миллионов градусов. На Земле, чтобы увеличить мощность термоядерных реакций до практически полезного уровня — хотя бы до 1000 Вт/м3 — температуру нужно поднять до сотен миллионов градусов. Это и есть первое и главное условие управляемого термоядерного синтеза. Во-вторых, в реакции должно участвовать достаточно много частиц — выход энергии растет как квадрат плотности топлива. Но вместе с температурой и плотностью увеличивается давление, и удерживать горячую плазму от расширения становится все труднее. Отсюда третье основное условие: время ее удержания должно быть достаточным, чтобы выделившаяся в ходе реакции энергия превысила затраты на нагрев и удержание плазмы. История УТС Реакции термоядерного синтеза были открыты более 70 лет назад. В 1934 году Георгий Гамов высказал мысль, что протекающие при высокой температуре ядерные реакции могут быть источником энергии, способным в течение миллиардов лет поддерживать звезды в горячем состоянии. Детальную теорию ядерных реакций в звездах развил Ханс Бете в 1938 году. В этих реакциях из ядер водорода синтезируются более сложные ядра других элементов — гелия, лития, бора, углерода. А поскольку их образование происходит при высокой температуре, эти реакции называют термоядерным синтезом. Впервые задачу по управляемому термоядерному синтезу в Советском Союзе сформулировал и предложил для неё некоторое конструктивное решение советский физик Олег Лаврентьев. Кроме него важный вклад в решение проблемы внесли такие выдающиеся физики, как Андрей Сахаров и Игорь Тамм, а также Лев Арцимович, возглавлявший советскую программу по управляемому термоядерному синтезу с 1951 года. Исторически вопрос управляемого термоядерного синтеза на мировом уровне возник в середине XX века. Известно, что Игорь Курчатов в 1956 году высказал предложение о сотрудничестве учёных-атомщиков разных стран в решении этой научной проблемы. Это произошло во время посещения Британского ядерного центра «Харуэлл» Физика процесса Атомные ядра состоят из двух типов нуклонов — протонов и нейтронов. Их удерживает вместе так называемое сильное взаимодействие. При этом энергия связи каждого нуклона с другими зависит от общего количества нуклонов в ядре, как показано на графике. Из графика видно, что у лёгких ядер с увеличением количества нуклонов энергия связи растёт, а у тяжёлых падает. Если добавлять нуклоны в лёгкие ядра или удалять нуклоны из тяжёлых атомов, то эта разница в энергии связи будет выделяться в виде разницы между затратами на осуществление реакции и кинетической энергией высвобождающихся частиц. Кинетическая энергия (энергия движения) частиц переходит в тепловое движение атомов после соударения частиц с атомами. Таким образом, ядерная энергия проявляется в виде нагрева. Рисунок 1. Зависимость энергии связи нуклона от числа нуклонов в ядре Изменение состава ядра называется ядерным превращением или ядерной реакцией. Ядерная реакция с увеличением количества нуклонов в ядре называется термоядерной реакцией или ядерным синтезом. Ядерная реакция с уменьшением количества нуклонов в ядре именуют ядерным распадом или делением ядра. Простейшее атомное ядро состоит из положительно заряженного протона и отрицательно заряженного электрона. Если к атомному ядру, скажем, водорода «прицепить» один нейтрон, получится изотоп — дейтерий. Если «прицепить» два нейтрона, получится другой изотоп — тритий. При этом с каждым новым нейтроном зарядовое число и химические свойства водорода будут оставаться прежними, а вот массовое число (сумма протонов и нейтронов) и физические свойства — меняться. Возможность конструировать атомные ядра, управляя их физическими свойствами, и интересует ядерную физику. Для запуска термоядерного синтеза нужно сблизить два изотопа с небольшим зарядовым числом, допустим дейтерий и тритий, до расстояния одного атомного ядра, чтобы те «слиплись» и образовали новое, более тяжелое ядро, в нашем примере — гелия-4. По эйнштейновской формуле E=mc2 это приведет к высвобождению огромного количества энергии, часть которой (что характерно — большая) достанется одинокому нейтрону: при столкновении дейтерия и трития он улетит и никогда не вернется. Кстати, сведение ядер — первая проблема синтеза, и небольшое зарядовое число ее упрощает. Реакторы УТС Дело в том, что одноименно заряженные атомные ядра вообще-то сводить нельзя — действует кулоновское отталкивание. Поэтому газ дейтерия и трития приходится разгонять в вакууме, нагревая до температур свыше 100 миллионов градусов Цельсия. С атомов в результате слетают электронные оболочки, и газ переходит в состояние плазмы, состоящей только из заряженных частиц, что позволяет помыкать ей с помощью магнитных ловушек. На самом деле для современных установок 100 миллионов градусов не предел, правда, максимальное «время удержания энергии» в пекле, вдвое меньшем, пока не превышает и 102 секунд. Компромисс между временем удержания плазмы и скоростью реакции — вторая проблема термоядерного синтеза. Подходов к ее решению целых два, по числу основных типов реакторов: квазистационарные (стеллараторы и токамаки) и инерциальные. Первые — это полые «бублики», в которых газ нагревается током и изолируется от внутренних стенок за счет магнитных полей. Вторые — «шарики», в них замороженные изотопы одновременно поджигаются и сдавливаются лазерами. Отличие в том, что токамаки и стеллараторы рассчитаны на долгую работу с разреженной плазмой, а «импульсные» — на «выстрелы» по упакованной смеси. Стелларатор — тип реактора для осуществления управляемого термоядерного синтеза. Название происходит от лат. stella — звезда, что должно указывать на схожесть процессов, происходящих в стеллараторе и внутри звёзд. Изобретён Л. Спитцером в 1950 году, первый образец построен под его руководством в следующем году. Рисунок 2. Стелларатор Вакуумный сосуд тороидальной формы (в отличие от токамакастелларатор не имеет азимутальной симметрии — магнитная поверхность имеет форму «мятого бублика») откачивается до высокого вакуума и затем заполняется смесью дейтерия и трития. Затем создается плазма и производится её нагрев. Энергия вводится в плазму при помощи электромагнитного излучения — так называемого циклотронного резонанса. При достижении температур, достаточных для преодоления кулоновского отталкивания между ядрами дейтерия и трития, начинаются термоядерные реакции. Токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) — тороидальная установка для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза. Плазма в токамаке удерживается не стенками камеры, которые не способны выдержать необходимую для термоядерных реакций температуру, а специально создаваемым комбинированным магнитным полем — тороидальным внешним и полоидальным полем тока, протекающего по плазменному шнуру. По сравнению с другими установками, использующими магнитное поле для удержания плазмы, использование электрического тока является главной особенностью токамака. Ток в плазме обеспечивает разогрев плазмы и удержание равновесия плазменного шнура в вакуумной камере. Этим токамак, в частности, отличается от стелларатора, являющегося одной из альтернативных схем удержания, в котором и тороидальное, и полоидальное поля создаются с помощью внешних магнитных катушек. Рисунок 3. Токамак Типы реакций Реакция синтеза заключается в следующем: два или более относительно лёгких атомных ядра в результате теплового движения сближаются настолько, что короткодействующее сильное взаимодействие, проявляющееся на таких расстояниях, начинает преобладать над силами кулоновского отталкивания между одинаково заряженными ядрами, в результате чего образуются ядра других, более тяжёлых элементов. Система нуклонов потеряет часть своей массы, равную энергии связи, и по известной формуле E=mc² при создании нового ядра освободится значительная энергия сильного взаимодействия. Атомные ядра, имеющие небольшой электрический заряд, легче свести на нужное расстояние, поэтому тяжёлые изотопы водорода являются лучшим видом топлива для управляемой реакции синтеза. Установлено, что смесь двух изотопов, дейтерия и трития, требует меньше энергии для реакции синтеза по сравнению с энергией, выделяемой во время реакции. Однако, хотя смесь дейтерия и трития (D-T) является предметом большинства исследований синтеза, она в любом случае не является единственным видом потенциального горючего. Другие смеси могут быть проще в производстве; их реакция может надёжнее контролироваться, или, что более важно, производить меньше нейтронов. Особенный интерес вызывают так называемые «безнейтронные» реакции, поскольку успешное промышленное использование такого горючего будет означать отсутствие долговременного радиоактивного загрязнения материалов и конструкции реактора, что, в свою очередь, могло бы положительно повлиять на общественное мнение и на общую стоимость эксплуатации реактора, существенно уменьшив затраты на вывод из эксплуатации и утилизацию. Проблемой остаётся то, что реакцию синтеза с использованием альтернативных видов горючего намного сложнее поддерживать, потому реакция D-T считается только необходимым первым шагом. Управляемый термоядерный синтез может использовать различные виды термоядерных реакций в зависимости от вида применяемого топлива. Таблица 1. Ядерные реакции представляющие интерес для УТС Все реакции, приведенные в Таблице 1, кроме последней, происходят с выделением энергии в виде кинетической энергии продуктов реакций, q , которая указана в скобках в единицах миллионов электронвольт (МэВ), (1 эВ = 1.6 ·10 –19 Дж = 11600 °К). Две последние реакции играют особую роль в управляемом термоядерном синтезе - они будут использоваться для производства трития, которого не существует в природе. Ядерные реакции синтеза 1-5 обладают относительно большой скоростью реакций, которую принято характеризовать сечением реакции, σ. Сечения реакций из Таблицы 1 показаны на Рис.1, как функция энергии сталкивающихся частиц в системе центра масс. Рисунок 4. Сечения некоторых термоядерных реакций из таблицы 1, как функция энергии частиц в системе центра масс. Реакция дейтерий + тритий. Реакция, осуществимая при наиболее низкой температуре — дейтерий + тритий. Два ядра: дейтерия и трития сливаются, с образованием ядра гелия (альфа-частица) и высокоэнергетического нейтрона. Такая реакция даёт значительный выход энергии. Недостатки — высокая цена трития, выход нежелательной нейтронной радиации. Реакция дейтерий + гелий-3. Существенно сложнее, на пределе возможного, осуществить реакцию дейтерий + гелий-3. 2H + 3He = 4He + p при энергетическом выходе 18,4 МэВ. Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3, кроме того, является редким и чрезвычайно дорогим изотопом. В промышленных масштабах в настоящее время не производится. Однако может быть получен из трития, получаемого в свою очередь на атомных электростанциях; или добыт на Луне. Сложность проведения термоядерной реакции можно характеризовать тройным произведением nTτ (плотность на температуру на время удержания). По этому параметру реакция D-3He примерно в 100 раз сложнее, чем D-T. Реакция на легком водороде. Стоит отметить, что протон-протонные реакции синтеза, идущие в звёздах, не рассматриваются как перспективное термоядерное горючее. Протон-протонные реакции идут через слабое взаимодействие с излучением нейтрино, и по этой причине требуют астрономических размеров реактора для сколь-либо заметного энерговыделения. Рисунок 5. Реакции на легком водороде Условия термоядерной реакции Управляемый термоядерный синтез возможен при одновременном выполнении двух условий: Скорость соударения ядер соответствует температуре плазмы: T > 108 K (для реакции D-T). Соблюдение критерия Лоусона: nτ> 1014 см−3·с (для реакции D-T), где n — плотность высокотемпературной плазмы, τ — время удержания плазмы в системе. От значения этих двух критериев в основном зависит скорость протекания той или иной термоядерной реакции. Наиболее трудная задача, стоящая на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза, заключается в изоляции плазмы от стенок реактора. Конструкция реакторов Существуют две принципиальные схемы осуществления управляемого термоядерного синтеза, разработки которых продолжаются в настоящее время: Квазистационарные системы, в которых нагрев и удержание плазмы осуществляется магнитным полем при относительно низком давлении и высокой температуре. Для этого применяются реакторы в виде токамаков, стеллараторов (торсатронов) и зеркальных ловушек, которые отличаются конфигурацией магнитного поля. К квазистационарным реакторам относится реактор ITER, имеющий конфигурацию токамака. Импульсные. В таких системах управляемый термоядерный синтез осуществляется путём кратковременного нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий, сверхмощными лазерными лучами или пучками высокоэнергичных частиц (ионов, электронов). Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов. Первый вид термоядерных реакторов намного лучше разработан и изучен, чем второй. В ядерной физике, при исследованиях термоядерного синтеза, для удержания плазмы в некотором объёме используется магнитная ловушка — устройство, удерживающее плазму от контакта с элементами термоядерного реактора. Магнитная ловушка используется в первую очередь как теплоизолятор. Принцип удержания плазмы основан на взаимодействии заряженных частиц с магнитным полем, а именно на спиральном вращении заряженных частиц вдоль силовых линий магнитного поля. Однако намагниченная плазма очень нестабильна. В результате столкновений заряженные частицы стремятся покинуть магнитное поле. Поэтому для создания эффективной магнитной ловушки используются мощные электромагниты, потребляющее огромное количество энергии или применяются сверхпроводники. Опасность термоядерного реактора Термоядерный реактор намного безопаснее ядерного реактора в радиационном отношении. Прежде всего, количество находящихся в нём радиоактивных веществ сравнительно невелико. Энергия, которая может выделиться в результате какой-либо аварии, тоже мала и не может привести к разрушению реактора. При этом в конструкции реактора есть несколько естественных барьеров, препятствующих распространению радиоактивных веществ. Например, вакуумная камера и оболочка криостата должны быть герметичными, иначе реактор просто не сможет работать. Тем не менее, при проектировании ITER большое внимание уделялось радиационной безопасности, как при нормальной эксплуатации, так и во время возможных аварий. Преимущества и недостатки Преимущества: Высокая энергетическая эффективность. Термоядерные реакции позволяют получать огромные объемы энергии при сравнительно небольших затратах вещества. Источник топлива. Термоядерная энергетика использует дейтерий и тритий, которые являются изобильными элементами воды и легко доступны на Земле. Отсутствие выбросов парниковых газов. В отличие от атомной энергетики, термоядерная не создает углекислый газ и другие газы, вносящие вклад в изменение климата. Безопасность. Термоядерная энергетика не представляет угрозы ядерной войны или террористических актов, так как не использует радиоактивные материалы. Недостатки: Сложность реализации. Создание и поддержание термоядерного реактора требует высокого уровня научных знаний и технологических возможностей, что делает его сложным и дорогостоящим проектом. Проблема управления реакцией. Управление термоядерной реакцией является сложной задачей из-за высоких температур и давления, которые необходимы для ее поддержания. Проблема радиоактивных отходов. В ходе работы термоядерного реактора образуются радиоактивные отходы, которые требуют длительного хранения и специальной обработки. Необходимость больших инвестиций. Разработка и эксплуатация термоядерных реакторов требует значительных финансовых вложений, что может быть проблемой для некоторых стран. Заключение Несмотря на все трудности и проблемы, лежавшие на пути к управляемой термоядерной реакции, эта история уже приближается к своему финалу. В энергетике принято использовать показатель EROEI – energyreturnonenergyinvestment (соотношение затраченной энергии при производстве топлива к тому объёму энергии, который мы из него получаем в итоге) для расчёта эффективности топлива. И в то время как EROEI угля продолжает расти, то этот показатель у нефти и газа достиг своего пика в середине прошлого века и теперь неуклонно падает за счёт того, что новые месторождения этих топлив находятся во всё в более труднодоступных местах и на всё больших глубинах. С помощью экспериментального сверхпроводящего токамака (EAST), который называют китайским «искусственным солнцем», физики смогли разогреть плазму до 100 миллионов градусов Цельсия (что в 6 раз выше температуры ядра нашей звезды) и достигнуть мощности нагрева в 10 МВт. В рамках этого эксперимента ученые получили показатели, приближающиеся к физическим условиям необходимым для работы реактора термоядерного синтеза в стабильном режиме. Источники информации https://works.doklad.ru/view/NBhcav08Mrc.html https://yuritkachev.livejournal.com/15673.html?ysclid=lp55mbt3kt659331364 https://triptonkosti.ru/22-foto/upravlyaemyj-termoyadernyj-sintezprezentaciya.html https://scilight.ru/posts/termoyadernaya-energetika-istochnik-beskonechnojenergii-budushhego/?ysclid=lp4w359a4y266495259 https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.6e5ee2b7-65604dad01d1d080-74722d776562/https/en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fusion https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%B7%D0%BE%D1%82%D0%B E%D0%BF%D1%8B_%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D1%80%D0 %BE%D0%B4%D0%B0
