XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Будущее альтернативной энергетики: термоядерный синтез
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Мы живём в век стремительного развития технического прогресса. Кроме того, мы наблюдаем неуклонно растущую численность населения нашей планеты, и повышение уровня жизни большинства населения. И, конечно же, это неизбежно приводит к росту потребления энергии в различных её видах. Энергетика плотно вошла в нашу жизнь и сейчас является основой любых процессов в промышленности, сельском хозяйстве, а также обеспечивает создание всех благ и комфорта жизни людей. Человечество получает энергию, в основном за счёт сжигания ископаемого топлива и работы атомных электростанций.
Альтернативная энергетика – это методы, которые отдают энергию более экологичным способом и приносят меньше вреда. Она нужна не только для промышленных целей, но и в простых домах для отопления, горячей воды, освещения, работы электроники.
Однако необходимо понимать, что потребление энергии в больших количествах приводит к тому, что с каждым днём всё больше и больше истощаются запасы природных ресурсов. Во избежание энергетического кризиса нам следует развивать альтернативную энергетику. Также деятельность традиционной энергетики пагубно влияет на экологию. Поэтому развитие альтернативной энергетики является одной из первостепенных задач на сегодняшний день. В данной работе мы проведём исследовательскую работу по выявлению новых альтернативных источников энергии, также узнаем насколько школьники осведомлены о альтернативной энергии и её развитии.
Цель: изучение термоядерного синтеза, как будущее альтернативной энергетики, провидение анкетирования, создание брошюры.Практическая значимость: полученная мной информация и проведённое исследование могут быть использованы в дальнейшем обучении, в практическом применении данных исследования и анкетирования.
Альтернативная энергетика и её источники
Альтернативная энергетика основана на методах получения энергии, позволяющих свести к минимуму вред, наносимый экологии. Энергия, полученная таким способом, ещё называется регенеративной или «зелёной». Она нужна не только для промышленных целей, но и в простых домах для отопления, горячей воды, освещения, работы электроники.
Ресурсы возобновляемой энергии:
Солнечный свет.
Водные потоки.
Ветер. Ветровая энергия - одна из форм проявления солнечной энергии. Мощность этой энергии - 2,43 * 1015МВт. Воздушные потоки преобразуются в энергию с помощью ветренных установок.
Биотопливо (топливо из растительного или животного сырья).
Геотермальная теплота (недра Земли).
Исследовательская работа по выявлению будущего альтернативной энергетики: термоядерный синтез
Человечество не имеет технологических возможностей использовать «зелёную энергетику» для полного обеспечения своих потребностей в энергии. Также необходимо учитывать, что на сегодняшний день существует ряд способов получения энергии с использованием ископаемых видов топлива – например, нефти, природного газа, угля и урановой руды. И в ряде случаев использование этих источников энергии технологически и экономически более оправдано. Тем не менее, необходимо продолжение поиска альтернативных источников энергии.
Термоядерный синтез — это процесс, в котором ядра легких атомов сливаются друг с другом образуя более тяжелые атомы. Это слияние сопровождается выделением большого количества энергии.
Еще в середине 20 века человечество хотело приручить этот источник энергии, воспроизведя технологию работы нашего Солнца. Говоря простым языком, для этого требовалось нагреть смесь определенных веществ (например, дейтерий и тритий) до температуры в 50 миллионов градусов и выше, тем самым превратив их в плазму. Такая высокая температура способна сильно разогнать легкие атомы, чтобы те преодолели «Кулоновский барьер» и сблизились на расстояние, достаточное для возникновения термоядерной реакции.
Однако, в отличие от ядерной реакции деления, которая используется в современных атомных станциях, ядерный синтез оказался крепким орешком. Много десятилетий ученые со всего мира ломают головы разрабатывая технологии, для получения стабильной и безопасной реакции. Было придумано несколько видов реакторов, но ни один из них не годится для практического применения.
Так как между атомными ядрами на малых расстояниях действуют ядерные силы притяжения, при сближении двух ядер возможно их слияние, т. е. синтез более тяжелого ядра. Все атомные ядра имеют положительный электрический заряд и, следовательно, на больших расстояниях отталкиваются друг от друга. Для того чтобы ядра могли сблизиться и вступить в ядерную реакцию синтеза, они должны обладать достаточной кинетической энергией для преодоления взаимного электрического отталкивания, которое тем больше, чем больше заряд ядра. Поэтому проще всего осуществляется синтез легких ядер с малым электрическим зарядом. В лаборатории реакции синтеза можно наблюдать, обстреливая мишень быстрыми ядрами, разогнанными в специальном ускорителе.
В природе реакции синтеза происходят в очень горячем веществе, например в недрах звезд, в том числе в центре Солнца, где температура 14 млн. градусов и энергия теплового движения некоторых самых быстрых частиц достаточна для преодоления электрического отталкивания. Ядерный синтез, происходящий в разогретом веществе, называют термоядерным.
Термоядерные реакции, идущие в недрах звезд, играют очень важную роль в эволюции Вселенной. Они - источник ядер химических элементов, которые синтезируются из водорода в звездах. Они - источник энергии звезд. Основным источником энергии Солнца являются реакции так называемого протон-протонного цикла, в результате которых из 4 протонов рождается ядро гелия. Выделяющаяся при синтезе энергия уносится образующимися ядрами, квантами электромагнитного излучения, нейтронами и нейтрино. Наблюдая поток нейтрино, идущий от Солнца, можно установить, какие ядерные реакции синтеза и с какой интенсивностью происходят в его центре.
Уникальная особенность термоядерных реакций как источника энергии - очень большое энерговыделение на единицу массы реагирующих веществ - в 10 млн. раз больше, чем в химических реакциях. Вступление в синтез 1 г изотопов водорода эквивалентно сгоранию 10 т бензина. Поэтому ученые давно стремятся овладеть этим гигантским источником энергии. В принципе мы умеем уже сегодня получать на Земле энергию термоядерного синтеза. Нагреть вещество до звездных температур можно, используя энергию атомного взрыва. Так устроена водородная бомба - самое страшное оружие современности, в которой взрыв ядерного запала приводит к мгновенному нагреву смеси дейтерия с тритием и последующему термоядерному взрыву.
Но не к такому неуправляемому синтезу, способному погубить все живое на Земле, стремятся ученые. Они ищут способы осуществления управляемого термоядерного синтеза. Какие же условия должны быть для этого выполнены? Прежде всего, конечно, нужно нагреть термоядерное горючее до температуры, когда реакции синтеза могут происходить с заметной вероятностью. Но этого мало. Необходимо, чтобы при синтезе выделялось больше энергий, чем затрачивается на нагрев вещества, или, что еще лучше, чтобы рождающиеся при синтезе быстрые частицы сами поддерживали требуемую температуру горючего. Для этого нужно, чтобы вступающее в синтез вещество было надежно теплоизолировано от окружающей и, естественно, холодной на Земле среды, т. е. чтобы время остывания, или, как говорят, времяудержания энергии, было достаточно велико.
Требования к температуре и времени удержания зависят от используемого горючего. Легче всего осуществить синтез между тяжелыми изотопами водорода- дейтерием (Д) и тритием (Т) (см. приложение 1). При этом в результате реакции получается ядро гелия (Не4) и нейтрон.
Дейтерий имеется на Земле в огромных количествах в морской воде (один атом дейтерия на 6000 атомов водорода). Тритий же в природе отсутствует. Сегодня его получают искусственно, облучая в ядерных реакторах нейтронами литий. Отсутствие трития не является, однако, препятствием для использования Д-Т реакции синтеза, так как образующийся при реакции нейтрон можно использовать для воспроизводства трития, облучая литий, запасы которого на Земле достаточно велики.
Для осуществления Д-Т реакции наиболее выгодны температуры около 100 млн. градусов. Требование же ко времени удержания энергии зависит от плотности реагирующего вещества, которое при такой температуре неизбежно будет находиться в виде плазмы, т. е. ионизированного газа. Так как интенсивность термоядерных реакций тем выше, чем выше плотность плазмы, требования ко времени удержания энергии обратно пропорциональны плотности.
Если выражать плотность в виде числа ионов в 1 см3, то для Д - Т реакции при оптимальной температуре условие получения полезной энергии можно записать в виде: произведение плотности п на время удержания энергии Ʈ должно быть больше 1014 см-3 с, т. е. плазма с плотностью 1014 ионов в 1 см3 должна заметно остывать не быстрее, чем за 1с.
Так как тепловая скорость ионов водорода при требуемой температуре 108 см/с, за 1 с ионы пролетают 1000 км. Поэтому нужны специальные устройства, предотвращающие попадание плазмы на стенки, теплоизолирующие ее. Плазма - газ, состоящий из смеси ионов и электронов. На заряженные частицы, движущиеся поперек магнитного поля, действует сила, искривляющая их траекторию и заставляющая двигаться по окружностям с радиусами, пропорциональными импульсу частиц и обратно пропорциональными магнитному полю. Таким образом, магнитное поле может предотвратить уход заряженных частиц в направлении, перпендикулярном силовым линиям. На этом основана идея магнитной термоизоляции плазмы. Магнитное поле, однако, не препятствует движению частиц вдоль силовых линий: в общем случае частицы движутся по спиралям, навиваясь на силовые линии.
Физики придумали разные хитрости, предотвращающие уход частиц вдоль силовых линий. Можно, например, сделать «магнитные пробки» - области с более сильным магнитным полем, отражающие часть частиц, но лучше всего свернуть силовые линии в кольцо, использовать тороидальное магнитное поле. Но и одного тороидального поля, оказывается, недостаточно.
Тороидальное поле неоднородно в пространстве - его напряженность спадает по радиусу, а в неоднородном поле возникает медленное движение заряженных частиц - так называемый дрейф - поперек магнитного поля. Ликвидировать этот дрейф можно, пропустив через плазму ток вдоль обхода тора. Магнитное поле тока, складываясь с тороидальным внешним полем, сделает общее поле винтовым.
Двигаясь по спиралям вдоль силовых линий, заряженные частицы будут переходить из верхней полуплоскости тора в нижнюю и обратно. При этом они будут все время дрейфовать в одну сторону, например вверх. Но, находясь в верхней полуплоскости и дрейфуя вверх, частицы уходят от средней плоскости тора, а находясь в нижней полуплоскости и дрейфуя тоже вверх, частицы возвращаются к ней. Так дрейфы в верхней и нижней половинах тора взаимно компенсируются и не приводят к потерям частиц.
Именно так и устроена магнитная система установок типа Токамак, на которых получены наилучшие результаты по нагреву и термоизоляции плазмы.
Кроме термоизоляции плазмы необходимо обеспечить также ее нагрев. В Токамаке для этой цели можно использовать ток, протекающий по плазменному шнуру. В других устройствах, где удержание осуществляется без тока, а также и в самом Токамаке для нагрева до очень высоких температур используют и иные способы нагрева, например с помощью высокочастотных электромагнитных волн, инжекции (введения) в плазму пучков быстрых частиц, световых пучков, генерируемых мощными лазерами, и т. д. Чем больше мощность нагревающего устройства, тем быстрее можно нагреть плазму до требуемой температуры. Разработка в последние годы очень мощных лазеров и источников пучков релятивистских заряженных частиц позволила нагревать малые объемы вещества до термоядерных температур за очень малое время, столь малое, что вещество успевает нагреться и вступить в реакции синтеза раньше, чем разлететься из-за теплового движения. В таких условиях дополнительная термоизоляция оказалась ненужной. Единственное, что удерживает частицы от разлета, - это их собственная инерция. Термоядерные устройства, основанные на этом принципе, называют устройствами инерционным удержанием. Это новое направление исследований, которое называется инерционным термоядерным синтезом, усиленно развивается в настоящее время.
Термоядерные реакторы
Дейтерий (2H) и тритий (3H) — это изотопы первого и самого легкого химического элемента — водорода, именно их комбинация зарекомендовала себя на роль источника энергии будущего (рассматриваются и другие типы реакций). При каждом слиянии дейтерия и трития образуется нейтрон и ядро гелия, а также 17,6 МэВ энергии.
Если сравнить термоядерный и ядерный реактор, то из одного килограмма исходной смеси в термоядерном реакторе будет производиться в три раза больше энергии, чем в ядерном. Для сравнения с другими источниками энергии, представьте, что 86 грамм дейтерий тритиевой смеси производит такое же количество энергии, как при сжигании 1000 тонн угля.
Но как упоминалось выше, чтобы пользоваться этой энергией, нужно разработать реактор, который бы работал стабильно и безопасно. Однако это не простая задача, потому что для удержания невероятно горячей плазмы, нужно было создать особый сосуд.
3.1 Токамак Т1
Советские ученые предложили идею магнитного удержания плазмы в 1950, а уже в 1958 году была построена первая в мире экспериментальная термоядерная установка — «Токамак Т1».(см. приложение 2 рисунок 1) Так как между атомными ядрами на малых расстояниях действуют ядерные силы притяжения, при сближении двух ядер возможно их слияние, т. е. синтез более тяжелого ядра. Все атомные ядра имеют положительный электрический заряд и, следовательно, на больших расстояниях отталкиваются друг от друга. Для того чтобы ядра могли сблизиться и вступить в ядерную реакцию синтеза, они должны обладать достаточной кинетической энергией для преодоления взаимного электрического отталкивания, которое тем больше, чем больше заряд ядра. Поэтому проще всего осуществляется синтез легких ядер с малым электрическим зарядом. В лаборатории реакции синтеза можно наблюдать, обстреливая мишень быстрыми ядрами, разогнанными в специальном ускорителе.
В природе реакции синтеза происходят в очень горячем веществе, например в недрах звезд, в том числе в центре Солнца, где температура 14 млн. градусов и энергия теплового движения некоторых самых быстрых частиц достаточна для преодоления электрического отталкивания. Ядерный синтез, происходящий в разогретом веществе, называют термоядерным.
Термоядерные реакции, идущие в недрах звезд, играют очень важную роль в эволюции Вселенной. Они - источник ядер химических элементов, которые синтезируются из водорода в звездах. Они - источник энергии звезд. Основным источником энергии Солнца являются реакции так называемого протон-протонного цикла, в результате которых из 4 протонов рождается ядро гелия. Выделяющаяся при синтезе энергия уносится образующимися ядрами, квантами электромагнитного излучения, нейтронами и нейтрино. Наблюдая поток нейтрино, идущий от Солнца, можно установить, какие ядерные реакции синтеза и с какой интенсивностью происходят в его центре.
Уникальная особенность термоядерных реакций как источника энергии - очень большое энерговыделение на единицу массы реагирующих веществ - в 10 млн. раз больше, чем в химических реакциях. Вступление в синтез 1 г изотопов водорода эквивалентно сгоранию 10 т бензина. Поэтому ученые давно стремятся овладеть этим гигантским источником энергии. В принципе мы умеем уже сегодня получать на Земле энергию термоядерного синтеза. Нагреть вещество до звездных температур можно, используя энергию атомного взрыва. Так устроена водородная бомба - самое страшное оружие современности, в которой взрыв ядерного запала приводит к мгновенному нагреву смеси дейтерия с тритием и последующему термоядерному взрыву.
Но не к такому неуправляемому синтезу, способному погубить все живое на Земле, стремятся ученые. Они ищут способы осуществления управляемого термоядерного синтеза. Какие же условия должны быть для этого выполнены? Прежде всего, конечно, нужно нагреть термоядерное горючее до температуры, когда реакции синтеза могут происходить с заметной вероятностью. Но этого мало. Необходимо, чтобы при синтезе выделялось больше энергий, чем затрачивается на нагрев вещества, или, что еще лучше, чтобы рождающиеся при синтезе быстрые частицы сами поддерживали требуемую температуру горючего. Для этого нужно, чтобы вступающее в синтез вещество было надежно теплоизолировано от окружающей и, естественно, холодной на Земле среды, т. е. чтобы время остывания, или, как говорят, времяудержания энергии, было достаточно велико.
Требования к температуре и времени удержания зависят от используемого горючего. Легче всего осуществить синтез между тяжелыми изотопами водорода- дейтерием (Д) и тритием (Т). При этом в результате реакции получается ядро гелия (Не4) и нейтрон.
Дейтерий имеется на Земле в огромных количествах в морской воде (один атом дейтерия на 6000 атомов водорода). Тритий же в природе отсутствует. Сегодня его получают искусственно, облучая в ядерных реакторах нейтронами литий. Отсутствие трития не является, однако, препятствием для использования Д-Т реакции синтеза, так как образующийся при реакции нейтрон можно использовать для воспроизводства трития, облучая литий, запасы которого на Земле достаточно велики.
Для осуществления Д-Т реакции наиболее выгодны температуры около 100 млн. градусов. Требование же ко времени удержания энергии зависит от плотности реагирующего вещества, которое при такой температуре неизбежно будет находиться в виде плазмы, т. е. ионизированного газа. Так как интенсивность термоядерных реакций тем выше, чем выше плотность плазмы, требования ко времени удержания энергии обратно пропорциональны плотности.
Если выражать плотность в виде числа ионов в 1 см3, то для Д - Т реакции при оптимальной температуре условие получения полезной энергии можно записать в виде: произведение плотности п на время удержания энергии Ʈ должно быть больше 1014 см-3 с, т. е. плазма с плотностью 1014 ионов в 1 см3 должна заметно остывать не быстрее, чем за 1с.
Так как тепловая скорость ионов водорода при требуемой температуре 108 см/с, за 1 с ионы пролетают 1000 км. Поэтому нужны специальные устройства, предотвращающие попадание плазмы на стенки, теплоизолирующие ее. Плазма - газ, состоящий из смеси ионов и электронов. На заряженные частицы, движущиеся поперек магнитного поля, действует сила, искривляющая их траекторию и заставляющая двигаться по окружностям с радиусами, пропорциональными импульсу частиц и обратно пропорциональными магнитному полю. Таким образом, магнитное поле может предотвратить уход заряженных частиц в направлении, перпендикулярном силовым линиям. На этом основана идея магнитной термоизоляции плазмы. Магнитное поле, однако, не препятствует движению частиц вдоль силовых линий: в общем случае частицы движутся по спиралям, навиваясь на силовые линии.
Физики придумали разные хитрости, предотвращающие уход частиц вдоль силовых линий. Можно, например, сделать «магнитные пробки» - области с более сильным магнитным полем, отражающие часть частиц, но лучше всего свернуть силовые линии в кольцо, использовать тороидальное магнитное поле. Но и одного тороидального поля, оказывается, недостаточно.
Тороидальное поле неоднородно в пространстве - его напряженность спадает по радиусу, а в неоднородном поле возникает медленное движение заряженных частиц - так называемый дрейф - поперек магнитного поля. Ликвидировать этот дрейф можно, пропустив через плазму ток вдоль обхода тора. Магнитное поле тока, складываясь с тороидальным внешним полем, сделает общее поле винтовым.
Двигаясь по спиралям вдоль силовых линий, заряженные частицы будут переходить из верхней полуплоскости тора в нижнюю и обратно. При этом они будут все время дрейфовать в одну сторону, например вверх. Но, находясь в верхней полуплоскости и дрейфуя вверх, частицы уходят от средней плоскости тора, а находясь в нижней полуплоскости и дрейфуя тоже вверх, частицы возвращаются к ней. Так дрейфы в верхней и нижней половинах тора взаимно компенсируются и не приводят к потерям частиц.
Именно так и устроена магнитная система установок типа Токамак, на которых получены наилучшие результаты по нагреву и термоизоляции плазмы.
Кроме термоизоляции плазмы необходимо обеспечить также ее нагрев. В Токамаке для этой цели можно использовать ток, протекающий по плазменному шнуру. В других устройствах, где удержание осуществляется без тока, а также и в самом Токамаке для нагрева до очень высоких температур используют и иные способы нагрева, например с помощью высокочастотных электромагнитных волн, инжекции (введения) в плазму пучков быстрых частиц, световых пучков, генерируемых мощными лазерами, и т. д. Чем больше мощность нагревающего устройства, тем быстрее можно нагреть плазму до требуемой температуры. Разработка в последние годы очень мощных лазеров и источников пучков релятивистских заряженных частиц позволила нагревать малые объемы вещества до термоядерных температур за очень малое время, столь малое, что вещество успевает нагреться и вступить в реакции синтеза раньше, чем разлететься из-за теплового движения. В таких условиях дополнительная термоизоляция оказалась ненужной. Единственное, что удерживает частицы от разлета, - это их собственная инерция. Термоядерные устройства, основанные на этом принципе, называют устройствами инерционным удержанием. Это новое направление исследований, которое называется инерционным термоядерным синтезом, усиленно развивается в настоящее время.
Стремясь осуществить управляемый термоядерный синтез, ученые разных стран изобретают и исследуют различные устройства для создания, нагрева и термоизоляции плазмы. Наиболее близко к условиям, требуемым для управляемого синтеза, удалось подойти с помощью установок, изобретенных советскими физиками и названных «Токамак». Это название - сокращение русских слов: ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками. Действительно, Токамак - это тороидальная вакуумная камера, на которую надеты катушки, создающие сильное (несколько тесла) тороидальное магнитное поле. Камера с катушками ставится на железное ярмо и служит как бы вторичным витком трансформатора. При изменении тока в первичной обмотке, намотанной на ярмо, в камере возникает вихревое электрическое поле, происходит пробой и ионизация рабочего газа, заполняющего камеру, и возникает тороидальный плазменный шнур с продольным электрическим током. Этот ток нагревает Плазму, а его магнитное поле вместе с полем катушек теплоизолирует плазму от стенок.
Любой виток с током, а плазменный особенно, стремится увеличить свой диаметр: противоположно направленные токи отталкиваются. Для компенсации этого отталкивания в Токамаке имеются специальные управляющие витки, создающие магнитное поле, перпендикулярное плоскости тора. Взаимодействие этого поля с током в шнуре дает радиальную силу, удерживающую плазменный виток от расширения. Ток в витках регулируется специальной автоматической системой, следящей за положением и движением плазменного шнура.
С ростом температуры плазмы ее электрическое сопротивление не растет, как у других веществ, а падает, и при заданном токе уменьшается нагрев шнура. Увеличивать же ток в Токамаке выше некоторого предела нельзя. Если магнитное поле тока станет слишком большим по сравнению с тороидальным полем катушек, шнур начнет извиваться и выбросится на стенку. Поэтому для нагрева плазмы до температур выше 10 млн. градусов в Токамаке используют дополнительные методы нагрева с помощью инжекции в плазму пучков быстрых атомов (заряженные частицы не могли бы влететь в камеру поперек магнитного поля) или введения в камеру высокочастотных электро-магнитных волн. Таким образом плазму в Токамаке уже удалось нагреть до 70 млн. градусов.
Достигнутая термоизоляция плазмы в Тока-маке всего в несколько раз хуже, чем требуется для термоядерного реактора, и ее можно улучшить, увеличивая размер установки. Поэтому уже сегодня ученые разных стран приступили к проектированию экспериментального термоядерного реактора - Токамака. В таком реакторе тороидальное поле будет создаваться сверхпроводящими катушками, охлаждаемыми жидким гелием, что избавляет от затрат энергии на поддержание магнитного поля. Между катушками и плазмой размещается защита от нейтронов, рождающихся в термоядерных реакциях, и бланкет (в переводе с английского это слово значит «одеяло») - слой вещества, содержащий литий. Здесь быстрые термоядерные нейтроны тормозятся, нагревая бланкет, и вступают в ядерные реакции с литием, в результате которых воспроизводится тритий, сгоревший при термоядерном синтезе и отсутствующий в природе. Через бланкет прокачивается теплоноситель, например вода, и образуется пар, который далее поступает на турбины для выработки электроэнергии.
Концепция получилась весьма успешной, что привело к постройке порядка 300 токамаков по всему миру.
Однако из-за того, что полностью контролировать поведение плазмы ученым пока не удается — выход энергии при термоядерном синтезе получается нестабильным и неоднородным. Даже такой тугоплавкий метал, как вольфрам не выдерживает нагрузку, которую создают потоки плазмы в экспериментах, а это приводит к целому ряду дополнительных проблем, одна из них — разрушение первой стенки в токамаках.
3.2 ИТЭР
ИТЭР — это международный мегапроект по исследованию термоядерного синтеза, который станет самым гигантским термоядерным реактором за всю историю человечества(см. приложение 3). В его постройке участвует 35 стран, так как, еще в середине семидесятых стало ясно, что одна страна вряд ли способна решить эту проблему.
Для размещения гигантского реактора предлагались разные площадки, но в итоге «стройку века» было решено начать на юге Франции. Строительство стартовало в 2007 году, но с тех пор ИТЭР столкнулся с техническими задержками, отставанием от графика, сменой руководства и увеличением расходов, которые выросли с первоначальной оценки в пять миллиардов евро до примерно 20 миллиардов евро.
Но это не удивительно, ведь это самый дорогой и масштабный научный проект, за который взялось человечество. Объем плазмы, которую ученые планируют получать на этой установке оценивается в 840 кубических метров, что в 10 раз больше, чем на самом большом и современном токамаке, имеющемся сейчас. Термоядерная реакция в недрах токамака ИТЭР будет происходить при немыслимых 150 миллионов градусов Цельсия.
Чтобы удерживать такой объем плазмы, магнитное поле на ИТЭР будет приблизительно в 200 раз больше, чем у Земли. Таких показателей удастся достичь, используя несколько сотен тонн сверхпроводников. Как уже можно понять, это ноу-хау будет использовать все передовые технологии и последние наработки, достигнутые человечеством в науке.
Однако какие бы усилия не были задействованы для строительства ИТЭР, этот реактор является лишь первым шагом в термоядерное будущее. Основная причина его создания состоит в изучении поведения плазмы на сверхвысоких термоядерных температурах, и только если испытания пройдут успешно, то начнется строительство первого демонстрационного реактора. На текущий момент проект ИТЭР завершен приблизительно на 70%.
Как только термоядерные реакторы станут реальностью, они абсолютно изменят глобальный энергетический баланс, который заложит основу для революции в области чистой энергии. Будучи источником неопасной и не нуждающейся в углероде энергии, не производящим долгоживущих радиоактивных отходов, термоядерный синтез в конечном итоге приведет к устареванию электростанций, работающих на ископаемом топливе, и ядерных установок на основе урана. Он станет источником, который сможет дать нам стабильную энергию в почти неограниченных масштабах.
Как было рассмотрено выше, человечество не имеет технологических возможностей использовать «зелёную энергетику» для полного обеспечения своих потребностей в энергии. Также необходимо учитывать, что на сегодняшний день существует ряд способов получения энергии с использованием ископаемых видов топлива – например, нефти, природного газа, угля и урановой руды. И в ряде случаев использование этих источников энергии технологически и экономически более оправдано. Тем не менее, необходимо продолжение поиска альтернативных источников энергии.
В ходе исследовательской работы было проведено анкетирование среди учеников средней старшей школы гимназии №82 (369 человек) по осведомлённости об альтернативных источниках энергии их видах и особенностях. Данные результатов анкетирования представлены в Приложении 4 рисунок 1,2 . Они показали, что учащиеся практически не ознакомлены с разновидностями альтернативных источников энергии, что показывает низкую ответственность за сохранение окружающей среды. Незнание того, что помимо традиционной энергетики существуют возобновляемые источники энергии, приводит к ухудшению общего состояния экологии, что также пагубно влияет на здоровье человека.
Заключение
Человечество на данном этапе развития не может существовать без энергетики. Все процессы так или иначе связаны с ней. И неизменно то, что доля потребления энергии всегда возрастает. Традиционные источники энергии уже не способны удовлетворить бесконечные энергетические потребности без помощи нетрадиционных. Нефть и газ движутся к тому, чтобы быть заменёнными. Эти традиционные энергоносители довольно близки к исчерпанию: запасов нефти и природного газа предполагается всего на 50–60 лет. Выбросы газов и сброс отходов колоссальны и могут привести к необратимым последствиям. Поэтому стремительно наступает эра экологически чистых, бесконечных по запасам и недорогих источников энергии. Ветер, Солнце, геотермальные ресурсы, биомасса – все это уже сейчас используется эффективно и действенно в энергетике. Как только термоядерные реакторы станут реальностью, они абсолютно изменят глобальный энергетический баланс, который заложит основу для революции в области чистой энергии. Будучи источником неопасной и не нуждающейся в углероде энергии, не производящим долгоживущих радиоактивных отходов, термоядерный синтез в конечном итоге приведет к устареванию электростанций, работающих на ископаемом топливе, и ядерных установок на основе урана. Он станет источником, который сможет дать нам стабильную энергию в почти неограниченных масштабах.И необходимо понимать, что нельзя останавливаться в освоении и нахождении возобновляемых способов энергии, иначе, во-первых, их потенциал не раскроется, и, во-вторых, рано или поздно произойдет энергетический кризис.Некоторые развитые страны, не располагая изначально природными ископаемыми, уже получают до 50% энергии из альтернативной энергетики. Но мало вероятно, что в ближайшем будущем человечество сможет полностью отказаться от использования нефти, природного газа и атомной энергии. Потому научные исследования, направленные на поиски новых источников энергии, имеют в данное время особую актуальность.
Список используемых источников
1. Абук Магомедов. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Махачкала, Издательско-полиграфическое объединение "Юпитер", 1996.
2. Голицын М.В. Альтернативныеэнергоносители. Москва, «Наука», 2004.
3. Международное энергетическое агентство. Возобновляемая энергия в России. 2004.
4. Сахаров А. Д., Теория магнитного термоядерного реактора, ч. 2.
5. Тамм И. Е., Теория магнитного термоядерного реактора, ч. 1, в сборнике: Физика плазмы и проблема управляемых термоядерных реакций, т. 1, М., 1958
6.PowerSystemsoftheFuture. ИзданиеНациональнойлабораториивозобновляемойэнергетики (NationalRenewableEnergyLaboratory), 2015.
7. https://ru.wikipedia.org/wiki/Альтернативная_энергетика
8.https://postnauka.ru/video/41197
9.https://www.mirf.ru/science/termoyadernyj-sintez-energiya-buduschego/
10. https://ru.wikipedia.org/wiki/Управляемый_термоядерный_синтез
Приложение
Приложение 1. Термоядерная реакция
Приложение 2. «Токамак Т1»
Приложение 3. ИТЭР
Приложение 4. (Рисунок 1) Анкета
Рисунок 2. Диаграмма
Аннотация
Данная работа является анализом альтернативных источников энергии. В ходе проекта исследуются альтернативные источники энергии и их разновидности, принцип работы, применение в жизни людей, плюсы и минусы эксплуатации. Проведено анкетирование учащихся МАОУ гимназии №82 на знание альтернативных источников энергии, результаты которого были проанализированы. Также были предложены новые источники альтернативной энергетики и их применение. Актуальность данного проекта заключается в том, что, современные наиболее используемые источники электроэнергии это гидро- тепло- и атомные электростанции, но они не экологичны. Альтернативная энергетика, построенная на использовании возобновляемых источников энергии, может стать той путеводной звездой, которая решить проблему экологии и исчерпаемости топливных ресурсов. Предоставлено обоснование того, что изучение альтернативной энергетики и улучшение технологий её использования могут принести огромную пользу человечеству.
Паспорт проекта
Тема: Будущее альтернативной энергетики: Термоядерный синтез.
Автор проекта: Грицук Екатерина Сергеевна
Научный руководитель: Новикова Наталия Сергеевна
Тип проекта: индивидуальный
Проблема: многие люди не осведомлены о том, какие альтернативные источники энергии бывают, какие исследования ведутся в этой области, и что такое термоядерный синтез, какие у него перспективы.
Объект исследования: альтернативная энергетика, термоядерный синтез, как её будущее.
Предмет исследования: термоядерный синтез
Цель: изучение термоядерного синтеза, как будущее альтернативной энергетики, провидение анкетирования, создание брошюры.
Гипотеза:возможно, что термоядерный синтез действительно является наиболее выгодной заменой традиционным источникам, произведёт настоящую революцию в энергетике.
Задачи: Изучить альтернативную энергетику и её разновидности, изучить термоядерный синтез, как будущее энергетики, провезти анкетирование, проанализировать результаты, создать брошюру.
Методы:
Теоретические
Эмпирические
Продукт проекта: брошюра
Практическая значимость: полученная мной информация и проведённое исследование могут быть использованы в дальнейшем обучении, в практическом применении данных исследования и анкетирования.