IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ОСВОЕНИЯ ЛУНЫ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Как-то руководителя английской термоядерной программы лауреата Нобелевской премии Джона Кокрофта спросили о том, когда термоядерный реактор даст промышленный ток. Крокрофт ответил: "Через 20 лет". Это же вопрос ему задали через 7 лет. Ответ был прежним: "Через 20 лет". Журналисты не преминули припомнить Кокрофту его слова семилетней давности, но невозмутимый англичанин отрезал: "Вы видите, я не меняю своей точки зрения".
Сегодня все прекрасно понимают, что освоенные источники энергии, - нефть, газ и каменный уголь, - неизбежно и скоро истощатся. Наиболее обеспеченные топливом атомные электростанции могли бы еще не одну сотню лет снабжать человечество электроэнергией, но наличие радиоактивных отходов, остающихся после работы АЭС, панический страх человечества последствий гипотетической аварии изрядно ограничивают возможность всеобщего перехода на атомную энергетику. А поэтому поиски альтернативных источников продолжаются до сих пор.
Возможность использования термоядерной реакции в электростанции появилась после того, как в установках с диверторной конфигурацией плазмы получили большие времена горения. Сначала это были 60 секунд, потом 90. Ещё через некоторое время ТОКАМАК (тороидальная камера с магнитными катушками) проработал 60 минут, после чего был выключен искусственно из-за окончания эксперимента. Это послужило отправной точкой для создания группы исследователей, проектирующих ТОКАМАК-реактор под названием ITER (International Torus European Reactor).
Идея использования термоядерного синтеза и установки ТОКАМАК
Идея использования синтеза легких ядер в энергетике привлекала давно. В отличие от деления тяжелых ядер энергия на нуклон, выделившаяся при реакции, превосходила в разы. Параллельно развивались различные варианты реакторов: ТОКАМАК, стелларатор, амбиполярные ловушки, инерциальный лазерный синтез и еще некоторые экзотические формы.
ТОКАМАК - это один из вариантов устройства, способного формировать долгоживущую горячую плазму высокой плотности. При достижении определенных параметров плазмы в ней начинается термоядерная реакция синтеза ядер гелия из исходного сырья - изотопов водорода (дейтерия и трития). При этом в ТОКАМАК-реакторе должно вырабатываться существенно больше энергии, чем затрачивается на формирование плазмы.
Возникает заблуждение, что термоядерный реактор не несет в себе никаких опасностей. Материалы конструкции реакторного зала и самой установки активируются так, что заходить внутрь нельзя в течении недели после остановки, а иногда и месяца. Но в отличие от ядерных реакторов, топливо - взрывоопасный газ (изотопы водорода). К тому же тритий ядовит. Но при определенном разбавлении становится неопасен.
УРАВНЕНИЯ РЕАКЦИЙ С УКАЗАНИЕМ ЭНЕРГОВЫХОДА
1) D + T → 4He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)
(2) D + D → T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) (50 %)
(3) → 3He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) (50 %)
(4) D + 3He → 4He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV)
(5) T + T → 4He + 2 n + 11.3 MeV
(6) 3He + 3He → 4He + 2 p
(7) 3He + T → 4He + p + n + 12.1 MeV (51 %)
(8) → 4He (4.8 MeV) + D (9.5 MeV) (43 %)
(9) → 4He (0.5 MeV) + n (1.9 MeV) + p (11.9 MeV) (6 %)
(10) D + 6Li → 2 4He[2] + 22.4 MeV -
(11) p + 6Li → 4He (1.7 MeV) + 3He (2.3 MeV)-
(12) 3He + 6Li → 2 4He + p + 16.9 MeV
(13) p + 11B → 3 4He + 8.7 MeV
(14) n + 6Li → 4He + T + 4.8 MeV
Дейтериево-тритиеваясмесь
Посмотрите на первую реакцию в приведённом выше списке реакций. В ней 17,6 МэВ выделилось на 5 нуклон. В ядерной реакции деления общий выход около 200 МэВ. Это 235 уран и нейтрон. В реакции синтеза на нуклон более 3 МэВ, а при делении менее 1 МэВ.
Два ядра, дейтерия и трития, сливаются, с образованием ядра гелия (альфа-частица) и высокоэнергетического нейтрона.
При столкновении одного дейтерия и одного трития выделяется 17,6 мегаэлектронвольта энергии, или 0,000 000 000 002 джоуля. Теперь статистика: сжигание одного грамма дров даст нам 7 тысяч джоулей, угля — 34 тысячи джоулей, газа или нефти — около 44 тысячи джоулей. Сжигание грамма дейтериево-тритиевой смеси должно привести к выбросу 170 миллиардов джоулей тепла. Столько весь мир потребляет примерно за 14 минут.
Такая реакция даёт значительный выход энергии, но имеет существенные недостатки — высокая цена трития, выход нежелательной нейтронной радиации.
Гелий-3 - альтернативный источник топлива
Гелий-3 - альтернативный источник топлива для получения ещё большего количества энергии.
Гелий-три. Странное и непонятное словосочетание. Тем не менее чем дальше, тем больше мы будем слышать его. Потому что, по мнению специалистов, именно гелий-три спасет наш мир от надвигающегося энергетического кризиса. И в этом предприятии активнейшая роль отводится России.
«Мы говорим сейчас о термоядерной энергетике будущего и новом экологическом типе топлива, которое нельзя добыть на Земле. Речь идет о промышленном освоении Луны для добычи гелия-3».
Это высказывание главы ракетно-космической корпорации «Энергия» Николая Севастьянова было воспринято российскими научными обозревателями как заявка на формирование нового «национального проекта».
Плюсы использования гелия-3
Перспективная термоядерная энергетика, использующая в качестве основы реакцию синтеза дейтерий-тритий, хотя и более безопасна, чем энергетика деления ядра атома, которая используется на современных АЭС, все же имеет ряд существенных недостатков.
Во-первых, при этой реакции выделяется куда большее (на порядок!) число высокоэнергетичных нейтронов. Столь интенсивного нейтронного потока ни один из известных материалов не может выдержать свыше шести лет — при том, что имеет смысл делать реактор с ресурсом как минимум в 30 лет. Следовательно, первую стенку тритиевого термоядерного реактора будет необходимо заменять — а это очень сложная и дорогостоящая процедура, связанная к тому же с остановкой реактора на довольно длительный срок.
Во-вторых, от мощного нейтронного излучения необходимо экранировать магнитную систему реактора, что усложняет и, соответственно, удорожает конструкцию.
В-третьих, многие элементы конструкции тритиевого реактора после окончания эксплуатации будут высокоактивными и потребуют захоронения на длительный срок в специально созданных для этого хранилищах.
В случае же использования в термоядерном реакторе дейтерия с изотопом гелия-3 вместо трития большинство проблем удается решить. Интенсивность нейтронного потока падает в 30 раз — соответственно, можно без труда обеспечить срок службы в 30-40 лет. После окончания эксплуатации гелиевого реактора высокоактивные отходы не образуются, а радиоактивность элементов конструкции будет так мала, что их можно захоронить буквально на городской свалке, слегка присыпав землей.
Луна. Перспективы добычи гелия-3
В окружающее пространство гелий-3 разносится солнечным ветром. Магнитное поле Земли отклоняет значительную часть этого ветра, а потому гелий-3 составляет лишь одну триллионную часть земной атмосферы — примерно 4000 т. На самой Земле его еще меньше — около 500 кг.
На Луне этого изотопа значительно больше. Там он вкрапляется в лунный грунт «реголит», по составу напоминающий обычный шлак. Речь идет об огромных — практически неисчерпаемых запасах!
Высокое содержание гелия-3 в лунном реголите еще в 1970 году обнаружил физик Пепин, изучая образцы грунта, доставленные американскими космическими кораблями серии «Аполлон». Однако это открытие не привлекало внимания вплоть до 1985 года, когда физики-ядерщики из Висконсинского университета во главе с Дж.Кульчински «переоткрыли» лунные запасы гелия.
С учетом всех особенностей технология добычи гелия-3 должна включать следующие процессы:
1. Добыча реголита.
Специальные «комбайны» будут собирать реголит с поверхностного слоя толщиною около 2 м и доставлять его на пункты переработки или перерабатывать непосредственно в процессе добычи.
2. Выделение гелия из реголита.
При нагреве реголита до 600°С выделяется (десорбируется) 75% содержащегося в реголите гелия, при нагреве до 800°С — почти весь гелий. Нагрев пыли предлагается вести в специальных печах, фокусируя солнечный свет либо пластмассовыми линзами, либо зеркалами.
3. Доставка на Землю космическими кораблями многоразового использования.
При добыче гелия-3 из реголита извлекаются также многочисленные вещества: водород, вода, азот, углекислый газ, азот, метан, угарный газ, — которые могут быть полезны для поддержания лунного промышленного комплекса.
Заключение
В процессе создания данного проекта были выявлены отличительные особенности термоядерного синтеза с применением гелия-3, а также перспективы освоения Луны в качестве места для добычи этого редкого изотопа.
Воссоздать в земной промышленной установке управляемый, послушный человеческой воле термоядерный процесс. Добиться этого — значит получить практически неиссякаемый источник термоядерной энергии. Ведь водородом наша планета очень богата (этот элемент входит в состав воды). Даже если научиться сжигать в термоядерных реакторах менее распространенный в природе тяжелый водород (на Солнце тяжелый водород воспламеняется особенно легко), то и тогда каждая кружка обычной воды станет равноценна бочке бензина!
Использованныеисточникиинформации
The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress
https://fas.org/sgp/crs/misc/R41419.pdf (дата обращения 06.12.2016)
Лунный гелий-3 – термоядерное горючее будущего
http://znaniya-sila.narod.ru/live/anknown_14_1.htm(дата обращения 06.02.2017)
Why Go Back to the Moon?
https://www.nasa.gov/centers/goddard/news/series/moon/why_go_back.html (дата обращения 06.12.2016)
Could the moon fuel Earth for 10,000 years? China says mining helium from our satellite may help solve the world's energy crisis, 5 August 2014
http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-2716417/Could-moon-fuel-Earth-10-000-years-China-says-mining-helium-satellite-help-solve-worlds-energy-crisis.html(дата обращения 06.12.2016)
↑ http://www.iop.org/Jet/fulltext/JETP98074.pdf 1999
http://www.euro-fusionscipub.org/wp-content/uploads/2014/11/JETP98074.pdf(дата обращения 06.02.2017)
Роль О.А. Лаврентьева в постановке вопроса и инициировании исследований по управляемому термоядерному синтезу в СССР
http://ufn.ru/ru/articles/2001/8/q/(дата обращения 20.01.2017)