Первичные источники питания и термоядерная энергия

Реферат по теме : “Первичные источники питания”.

ТЕРМОЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ

Предисловие:

Мы привычно говорим о термоядерном синтезе, как о перспективном источнике энергии. Но вот вопрос: не слишком ли долго он оста-нется всего лишь “перспективным”? Ведь сложилась парадоксальная ситуация: на энергии деления ядер урана уже давно работают атом-ные электростанции, тогда как управляемый синтез лёгких ядер не даёт положительного баланса энергии. Между тем последний процесс открыли на четыре года раньше, чем первый: в 1934 году в лабора-тории Э. Резерфорда был проведён синтез ядер дейтерия с получе-нием трития. А уже через несколько лет теоретики нашли подходя-щие ядерные процессы, объясняющие механизм “горения” звёзд, ко-торый так долго был неразрешимой загадкой. Значит, роль термо-ядерной реакции, как возможного источника огромных количеств энергии, была осознана давно. Какие же трудности стояли и стоят на пути к овладению этим источником?

Появление новой энергии.

Главная причина устойчивости звёздных термоядерных реакций — громадные размеры реакторов, да и времена циклов реакций исчисляются миллионами лет. Как же в наших ограниченных масштабах сотворить подобное?

В 1945 году на далёком Сахалине у учащегося вечерней средней школы Олега Лаврентье-ва блеснула дерзновенная идея, которая сулила создание искусственного земного солнца. Как писал сам Олег Александрович, он “сформулировал принцип тепловой изоляции электрическим полем полностью ионизированного газа с целью промышленной утилиза-ции термоядерных реакций” и не долго думая направил предложение прямо в адрес И.В.Сталина. Письмо осталось без ответа, но повторное предложение в ЦК ВКП(б) срабо-тало мгновенно. В 1954 году эта идея, оказавшаяся весьма плодотворной, была воплощена в Институте атомной энергии (ИЭА). Появилась первая исследовательская термоядерная установка токомак. Впоследствии А.Д.Сахаров, уже академик, засвидетельствовал: “Под-тверждаю, что в июне или июле 1950 г. я рецензировал работу О.А.Лаврентьева... Озна-комление с работой Лаврентьева послужило толчком, способствующим ускорению моей совместной с И.Е.Таммом работы по магнитной термоизоляции высокотемпературной плазмы”.

Но действительность оказалась сложнее. Выяснилось, что в тороидальном поле частицы за каждый оборот будут смещаться из области более сильной напряжённости (внутренний периметр тороида) в область слабой напряжённости (внешний периметр) и вся плазма “вывалится” на внешнюю стенку, не успев разогреться до термоядерных температур.

Правда, выход быстро нашли: для удержания плазмы в равновесии силовые линии её магнитного поля надо завить по спирали. Двадцать лет спустя эта работа сыграла истори-ческую роль и стала оной из основ теории токамаков.

В 1969 году на международной конференции в Дубне было объявлено, что в плазме тока-мака Т-3 достигнута фантастическая для того времени температура- 7-10 млн. градусов. Началось всемирное “обращение в токамаки”.

Сейчас на токамаках, кроме России, работают в США, Великобритании, Франции, ФРГ, Италии, Японии, Китае, Австралии, Ливии, Венгрии и других странах.

Оказалось, что в замкнутых магнитных системах положения классической теории парных столкновений частиц плазмы, на которую тогда опирались учёные, не выполняются. А в 1965 году известные советские физики Р.З.Садеев, А.А.Галеев и Л.М.Коврижных создали новую теорию, за что впоследствии были удостоены Ленинской премии.

Условия управляемого ядерного синтеза.

В энергетически выгодных термоядерных реакциях участвуют прежде всего изотопы во-дорода-дейтерий (Д) и тритий (Т). При этом из двух реакций Д+Д и Д+Т последняя в сто раз эффективнее, и во всех современных установках пытаются осуществить именно её. При слиянии ядер дейтерия и трития образуется нестабильное ядро, которое быстро рас-падается на альфа-частицу (ядро гелия-4) с энергией 3,5 МэВ и нейрон с энергией 14,1 МэВ (то есть 20% и 80% общей энергии соответственно):

Д+Т 4Не++ (3,5 МэВ)+n(14,1 МэВ).

Дело осложняется тем, что “готового” трития в природе почти нет. Но выход найден: этот изотоп производится в самом реакторе из лития.

Таким образом, в термоядерных реакциях, в том числе в токамаках, будет, по существу, “сжигаться” литий, один грамм которого в этом случае соответствует тонне условного топлива. А доступные запасы лития на Земле на три порядка превосходят запасы органи-ческого топлива, причём добывать литий сравнительно несложно.

Для получения полезной энергии в реакциях ядерного синтеза надо последовательно дос-тичь двух пороговых условий: “зажигания” реакции, то есть положительного энергоба-ланса, и самостоятельного, самоподдерживающегося синтеза, уже не требующего внешне-го “подогрева”. Кроме того, необходима определённая плотность и время существования плазмы при данной температуре. В 1957 году английский физик Дж.Лоусон вывел соот-ветствующий критерий: произведение плотности плазмы n (число частиц в кубическом метре её объёма) на время существования  (измеряемое в секундах) при температуре Т=108 К должно быть не менее 2*1020 с/м3. В этих условиях энергобаланс термоядерной реакции будет положительным, то есть общий выход энергии превысит энергозатраты на нагрев.

Но достижение первого порогового условия -зажигания- ещё не обеспечивает второго, то есть самоподдержания реакции. Вся надежда лишь на заряженные ядра гелия. Чтобы они удержались в зоне реакции, а их энергии хватило на её самоподдержание, магнитное поле должно иметь определённую напряженность В, а плазма- определённый объём V. Произ-ведение этих двух величин BV называется фактором удержания, который и характеризует степень самообеспеченности реакции.

Токамаки: что достигнуто?

В таблице даны основные параметры токомаков: R и r - большой и малые радиусы плаз-мы, V - её объём, B - напряжённость магнитного поля, BV - фактор удержания плазмы и W - общая мощность дополнительных источников её нагрева (который можно произво-дить тремя способами: адиабатическим сжатием плазмы, инжекцией быстрых (“горячих”) нейтральных атомов и высокочастотными волнами).

НАЗВАНИЕ R , М r , М V , М3 B , Тл VB,М3Тл W, МВТ

Т - 3 Россия 1 0,15 0,5 3,5 1,8 нет

Т - 4 Россия 0,9 0,17 0,5 4,5 2,3 нет

Т - 7 Россия 1,2 0,35 3 2,5 7,5 1

Т - 10 Россия 1,5 0,37 4 4,5 19 4

Т - 15 Россия 2,4 0,7 24 3,5 85 14

ТСП Россия 1,06 0,29 1,8 2 3,6 2

PLT США 1,3 0,4 4 4,5 19 4

Doublett США 2,75 0,9 44 2,6 120 8

JT - 60 Япония 3 0,95 54 4,5 240 40

TFTR США 2,65 1,1 64 5,2 330 30

JET ЕВРАТОМ 2,95 1,7 170 3,4 580 52

Т - 4 — по сути, увеличенная модель Т-3.

Т - 7 — уникальная установка, в которой впервые в мире реализована относительно круп-ная магнитная система со сверхпроводящим соленоидом на базе ниобата олова, охлаж-даемого жидким гелием. Главная задача Т - 7 была выполнена: подготовлена перспектива для следующего поколения сверхпроводящих соленоидов термоядерной энергетики. Что-бы подчеркнуть всю сложность этой задачи, отметим, что попытка наших коллег из ФРГ соорудить плазменную установку W - 7 со сверхпроводящей системой не удалась.

Т - 10 и PLT— следующий шаг в мировых термоядерных исследованиях, они почти оди-накового размера, равной мощности, с одинаковым фактором удержания. И полученные результаты идентичны: на обоих реакторах достигнута заветная температура термоядер-ного синтеза, а отставание по критерию Лоусона — всего в двести раз. Не надо удивляться этому как будто легкомысленному “всего”: на самом деле в те годы и такой результат был успехом.

JET (Joint Europeus Tor) — самый крупный в мире токомак, созданный организацией Ев-ратом в Великобритании. В нём использован комбинированный нагрев: 20 МВт — ней-тральная инжекция, 32 МВт — ионно-циклотронный резонанс. В итоге критерий Лоусона лишь в 4-5 раз ниже уровня зажигания.

Т - 15 — реактор сегодняшнего дня со сверхпроводящим соленоидом, дающим поле на-пряжённостью 3,5 Тл. К сожалению, столь важный для развития наших работ по термояду реактор является самым “младшим” в своём поколении, явно отставая от последних зару-бежных. Такое отставание — расплата за негибкость нашей промышленности и проект-ных организаций, отчего каждая новая установка становиться “долгостроем”.

TFTR (Test Fusion Tokamak Reactor) — крупнейший токамак США (в Принстонском уни-верситете) с дополнительным нагревом быстрыми нейтральными частицами. Достигнут высокий результат: критерий Лоусона при истинно термоядерной температуре всего в 5,5 раза ниже порога зажигания.

Как видно из краткого обзора, нет сомнений, что в ближайшее время можно ожидать “зажигания” термоядерной реакции в земных условиях на смеси газов дейтерия и трития.

Ядерный синтез завтра.

“На завтра” планируется прежде всего создание следующего поколения токамаков, в ко-торых можно достичь самоподдерживающегося синтеза. С этой