Плюсы и минусы термоядерной энергетики

Плюсы и минусы термоядерной энергетики

Солнце — это раскаленный газовый шар, который каждую секунду выделяет столько энергии — сколько человечеству хватило бы на миллион лет. Такой невероятный объем энергии высвобождается благодаря термоядерному синтезу и ядерным реакциям, которые происходят в его недрах уже около 5 миллиардов лет.

Что такое термоядерный синтез?

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.

Прошло уже более 60 лет, с тех пор как впервые был применен термоядерный синтез, но мы так и не научились контролировать эту реакцию, чтобы получать из нее необходимые нам блага в виде энергии и отказаться от источников, загрязняющих нашу планету. К числу подобных источников можно отнести и современную атомную энергетику, использующую ядерную реакцию деления.

Основные опасения, по поводу современной ядерной энергетики, породили аварии в Чернобыле в 1986 году и на Фукусиме в 2011 году. В частности, катастрофа на Фукусиме разрушила миф об энергетических реакторах с нулевым риском.

 Но кроме значительных рисков для безопасности, эти реакторы также имеют проблемы с утилизацией отходов и перекачивают огромное количество воды. Другой важный момент заключается в том, что основным источником топлива для современных атомных реакторов служит Уран-235, запасов которого вряд ли хватит на ближайшее столетие.

Именно поэтому будущее, с развитой термоядерной энергетикой, выглядит таким привлекательным.

Плюсы и минусы термоядерной энергетики Схема работы АЭС на двухконтурном водо-водяном ядерном реакторе, который использует реакцию распада

Однако, в отличии 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.

Термоядерный реактор

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.

Плюсы и минусы термоядерной энергетикиСлияние дейтерий — тритий WikimediaПлюсы и минусы термоядерной энергетики

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.

Токамак

Плюсы и минусы термоядерной энергетикиПервое в мире устройство типа токамак: отечественный Токамак Т1 в Курчатовском институте в Москве. Плазма в диапазоне 0,4 кубометра была получена в медном вакуумном сосуде

Советские ученые предложили идею магнитного удержания плазмы в 1950, а уже в 1958 году была построена первая в мире экспериментальная термоядерная установка — «Токамак Т1». Конструкция подразумевает тороидальную камеру с магнитными катушками, в которой плазма удерживается не стенками камеры, а специально создаваемым комбинированным магнитным полем — тороидальным внешним и полоидальным полем тока, протекающим по плазменному шнуру. Концепция получилась весьма успешной, что привело к постройке порядка 300 токамаков по всему миру.

Плюсы и минусы термоядерной энергетикиФранцузкий токамак Tore Supra во время апргрейда в диверторную конфигурацию

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.

Стелларатор

Плюсы и минусы термоядерной энергетики Квазисимметричный стелларатор HSX, США

Стелларатор отличается от токамака тем, что магнитное поле для изоляции плазмы от внутренних стенок тороидальной камеры полностью создаётся внешними катушками, позволяя использовать его в непрерывном режиме. Его силовые линии подвергаются вращательному преобразованию, в результате которого эти линии многократно обходят вдоль тора и образуют систему замкнутых вложенных друг в друга тороидальных магнитных поверхностей.

Сама концепция стеллараторов возникла в середине 20 века, но существенный прогресс в их улучшении был достигнут в начале 21 века благодаря развитию компьютерных технологий, а в частности, графических программ.

В то время как токамак работает в импульсном режиме (из-за того, что там происходят срывы плазмы), стелларатор является стационарной машиной (теоретически), при условии, что там удастся реализовать стеллараторную конфигурацию.

Основным недостатком стеллараторов является их малоизученность в действии. Конструкция стелларатора оказалась настолько сложной, что уровень развития техники долгое время не позволял его построить.

Не удивительно, что изучение термоядерного синтеза на стеллараторах было заброшено, в то время, как на токамаках оно не останавливалось.

Вероятно, по этой причине самый масштабный проект в данной области — ITER (ИТЭР) взял за свою основу токамак, а не стелларатор.

Международный экспериментальный термоядерный реактор ITER (ИТЭР)

Плюсы и минусы термоядерной энергетики

ИТЭР — это международный мегапроект по исследованию термоядерного синтеза, который станет самым гигантским термоядерным реактором за всю историю человечества. 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. Согласно расчетам, весить он будет как три Эйфелевых башни — 23 000 тонн, диаметр самого реактора будет достигать 20 метров в ширину и 60 метров в высоту.

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.

Плюсы и минусы термоядерной энергетики

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.

Плюсы и минусы термоядерной энергетики

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%.

Другие разработки

Токамаки и стеллараторы не единственные в своем роде. Кроме них есть еще несколько направлений, в которых ведутся исследования термоядерного синтеза. Коротко опишем некоторые из них.

Инерциальный термоядерный синтез (ICF) — это тип исследований, посвященный изучению термоядерного синтеза, в котором предпринимаются попытки инициировать реакции слияния путем нагревания и сжатия топливной мишени (обычно в форме таблетки), которая чаще всего содержит смесь дейтерия и трития.

 Типичные топливные таблетки имеют размер булавочной головки и содержат около 10 миллиграммов топлива. Чаще всего, в системах ICF используется один лазер, луч которого разделяется на несколько потоков, которые впоследствии индивидуально усиливаются в триллион раз или более.

Одна из последних ICF установок строится во Франции и называется Laser Mégajoule.

Магнитоинерциальное слияние (MIF) описывает класс термоядерных устройств, которые сочетают в себе аспекты термоядерного синтеза и инерциального термоядерного синтеза (ICF) в попытке снизить стоимость термоядерных устройств.

Слияние намагниченных мишеней (MTF) — это концепция термоядерного синтеза, которая сочетает в себе особенности синтеза с магнитным удержанием и синтеза с инерционным удержанием (ICF).

 Подобно магнитному подходу, термоядерное топливо при более низкой плотности ограничено магнитными полями и нагревается до состояния плазмы.

 Как и в случае инерционного подхода, плавление инициируется быстрым сжатием цели, что значительно увеличивает плотность топлива и температуру.

Пузырьковый синтез (соносинтез) — это реакция ядерного синтеза, предположительно происходящая внутри чрезвычайно больших коллапсирующих пузырьков газа, созданных в жидкости во время акустической кавитации. Исследования в данной области были окружены противоречиями, включая утверждения, что они являются мошенничеством (это привело к применению санкций в отношении Университета Пердью и некоторых его сотрудников).

В заключение

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.

  • Изобретения
  • Проблемы науки
  • Экологические проблемы

Источник: https://sci-news.ru/2019/termojadernyj-sintez-jenergija-budushhego/

Термоядерный синтез – бесконечная энергия — Изобретено в Сибири!

Управляемый термоядерный синтез (УТС) – одна из самых ожидаемых технологий, надо которой работают учёные во всём мире.

Возможно, именно она раз и навсегда решит энергетическую проблему в масштабах планеты.

И в разработке этой технологии одну из самых заметных ролей играет Институт ядерной физики (ИЯФ) Сибирского отделения РАН, который находится в Академгородке Новосибирска. 

Что такое УТС?

Ядра всех атомов состоят из нуклонов (нейтроны и протоны). Они скреплены друг с другом силой, которая в физике называется термином «сильное взаимодействие». Причём, чем больше нуклонов в ядре, тем слабее это сильное взаимодействие.

Если объяснять «на пальцах», то термоядерный синтез – это реакция, при которой количество нуклонов в ядре атома увеличивается. Причём тут продолжает действовать закон сохранения энергии. При увеличении количества нуклонов уменьшается энергия их сильного взаимодействия, но эта энергия не исчезает в никуда – она выделяется в виде тепла.

Выходит, можно построить реактор, в котором протекает термоядерный синтез, и получать энергию – термоядерный реактор. Но для этого нужно полностью изучить природу термоядерного синтеза и научиться ей управлять. Поэтому и говорят – управляемый термоядерный синтез.

Плюсы и минусы термоядерной энергетики

Перспективность термоядерного реактора

Термоядерный реактор имеет ряд очевидных преимуществ. Одна из них – практически бесконечное топливо: они будут работать на водороде. Топливо можно получать хоть из обычной морской воды.

Отсюда вытекают и другие плюсы. Один из важнейших – относительная радиационная безопасность. В реакторе будет находиться очень мало радиоактивных веществ.

Кроме того, процессы, протекающие в реакторе, не будут слишком бурными, поэтому вероятность аварийного скачка мощности реактора минимальна.

Но даже в случае взрыва реактор вряд ли будет разрушен, так что заражение значительной территории от радиоактивных выбросов будет практически исключено.

Более того, отходы термоядерного реактора будут иметь короткий период полураспада, то есть сравнительно быстро перестанут быть опасными. Кроме того, их невозможно будет использовать как компонент для взрывного устройства.

Плюсы и минусы термоядерной энергетики

Термоядерный реактор с токамаком

Ещё до того, как в Обнинске была построена первая в мире атомная электростанция, в среде учёных уже начались разговоры о принципиально иных реакторах – термоядерных. И уже тогда стали предприниматься попытки представить, как будет выглядеть такой реактор.

В настоящий момент есть несколько разных теоретических систем устройства термоядерного реактора. Но наиболее близка к практической реализации – квазистационарная система. Она основана на тороидальной камере с магнитными катушками (сокращённо – токамак).

Токамак – это такой металлический бублик, в котором при помощи сильнейшего электромагнитного поля с безумно высокой скоростью движется плазма. Плазма разогревается до температуры где-то в миллион градусов, и начинается синтез. Остаётся только собирать полученные излишки энергии.

Плюсы и минусы термоядерной энергетики

Когда построят термоядерный реактор?

Первый экспериментальный токамак был построен в 1954 году в Москве, в Институте атомной энергии имени Курчатова. А уже в 1968 году на токамаке Т-3 прошли первые успешные испытания: учёные смогли нагреть плазму до температуры в 5 миллионов градусов Цельсия и какое-то время её сохранять. Так было положено начало.

В настоящее время в мире построено более 300 токамаков. И если самый первый был диаметром всего 80 сантиметров, то самый современный имеет диаметр уже 16 метров. Этот современный токамак построен для экспериментального прототипа термоядерного реактора ITER (ИТЭР), который находится на юге Франции.

Читайте также:  Обувь из искусственной кожи: плюсы и минусы

Плюсы и минусы термоядерной энергетикиСтроительство ИТЭРа

ИТЭР – проект международный, в нём участвуют учёные из десятков стран, включая Россию. Причём системы этого реактора моделировались и отрабатывались под руководством российского физика Василия Андреевича Глухих (кстати, выпускника Томского политеха).

Строится ИТЭР с 2013 года. Предполагаемый срок начала первых экспериментов – 2025 год.

Плюсы и минусы термоядерной энергетикиМакет реактора ИТЭР

Сибирский вариант термоядерного реактора

Институт ядерной физики (ИЯФ) Сибирского отделения РАН– один из ключевых участников разработки ИТЭР от России. Но параллельно с работой над ИТЭР учёные из ИЯФ разрабатывают альтернативный вариант термоядерного реактора. Причём сами учёные отмечают, что их проект направлен на создание коммерчески выгодной термоядерной электростанции, в то время как проект ИТЭР преследует чисто научные цели.

Реактор, который разрабатывают в ИЯФ, работает по иной системе: не по квазистационарной, а импульсной. Эта система на сегодняшний день менее проработана теоретически, но обещает ряд преимуществ перед квазистационарной.

Главное, импульсный реактор, как предполагается, будет более простым в инженерном плане, будет эффективнее использовать магнитное поле – другими словами, будет более экономичным.

В теории звучит очень заманчиво, и вот сейчас в ИЯФ экспериментально проверяют эти теоретические выкладки.

В импульсной системе вместо токамака используется открытая магнитная ловушка. Концепцию этой ловушки в 1953 году впервые предложил советский физик, основатель ИЯФ Герш Будкер. В ней плазма удерживается с помощью магнитного поля в длинной трубе. ИЯФ на сегодняшний день является мировым лидером по производству открытых магнитных ловушек.

Плюсы и минусы термоядерной энергетикиОткрытая магнитная ловушка

Технологический прорыв

И одна из сложнейших задач при постройке импульсной установки – удержать плазму внутри трубки, чтобы при этом продолжался синтез. В ИЯФ разработали и построили уже целый ряд моделей открытых магнитных ловушек, в которых использовались самые разные варианты решения этой задачи. И вот, похоже, найдено окончательное решение.

Решение заключается в использовании магнитного поля, которое «закручено» в виде винта. Такое магнитное поле одновременно тянет плазму в трубке и вперёд и назад, и в итоге плазма удерживается посередине.

Плюсы и минусы термоядерной энергетикиСхема магнитной ловушки с винтовым магнитным полем

Чтобы узнать, действительно ли это решение годится для создания полноценного термоядерного реактора, в конце 2017 года в Новосибирске была запущена экспериментальная установка СМОЛА (Спиральная Открытая Магнитная Ловушка). В данный момент ведутся эксперименты.

Плюсы и минусы термоядерной энергетикиСМОЛА, разработанная в Институте ядерной физики Сибирского отделения РАН

Если эксперименты оправдают ожидания новосибирских физиков, то Россия, возможно, станет первой страной, в которой будет построен термоядерный реактор.

Использованы материалы сайтов:
http://news.ngs.ru/
https://www.popmech.ru/
http://promportal.su/
https://lenta.ru/

Источник: https://sib5.com/termoyadernyj-sintez-beskonechnaya-energiya/

Эксперты: термоядерные реакторы «экономически жизнеспособны»

Экономически жизнеспособные термоядерные реакторы могут начать вырабатывать электричество через несколько десятилетий, и политикам стоит начинать планировать их строительство в качестве замены традиционных атомных электростанций, утверждают эксперты.

Плюсы и минусы термоядерной энергетики

Ученые Университета Дарема и Калэмского центра энергии синтеза в Оксфордшире повторно изучили экономику синтеза, приняв во внимание последние достижения в сфере технологий сверхпроводников.

Их анализ строительства, эксплуатации и вывода из эксплуатации электростанций ядерного синтеза показывает финансовую осуществимость термоядерной энергии по сравнению с традиционной ядерной энергетикой, основанной на делении.

  • Исследование, опубликованное в журнале Fusion Engineering and Design, опирается на ранее полученные данные о том, что завод синтеза может вырабатывать электричество по сходной цене завода деления, и выявляет новые преимущества в использовании новых сверхпроводниковых технологий.
  • Профессор Дамиан Гэмпшир из Центра физики материалов Даремского университета, руководящий исследованием, заявил следующее: «Очевидно, мы можем только предполагать, но из наших прогнозов следует, что синтез не будет значительно дороже деления».
  • Эти выводы поддерживают возможность того, что через поколение или два реакторы синтеза смогут предложить почти неограниченный запас энергии, который не будет сопряжен с усугублением проблемы глобального потепления или производством вредных продуктов в значительных масштабах.

Термоядерные реакторы вырабатывают электроэнергию, нагревая плазму до 100 миллионов градусов по Цельсию, так что атомы водорода сливаются вместе, высвобождая энергию. Этот процесс отличается от ядерного деления в реакторах, которое работает путем расщепления атомов при температурах пониже.

Преимущество термоядерных реакторов по сравнению с нынешними реакторами деления в том, что они почти не создают радиоактивных отходов. Реакторы синтеза безопаснее, поскольку нет крайне радиоактивного материала, который может просочиться в окружающую среду, а вместе с этим невозможны и бедствия вроде аварий на Фукусиме или в Чернобыле, поскольку плазма просто иссякает в случае утечки.

Энергия синтеза также политически безопаснее, поскольку термоядерный реактор не будет производить изделия оружейного уровня, поощряя создание ядерного оружия. Реактор синтеза подпитывается дейтерием, или тяжелой водой, которая добывается из морской воды, и тритием, который создается внутри реактора, так что проблем с безопасностью поставок также не будет.

Экспериментальный реактор синтеза ИТЭР начнет работать через 10 лет на юге Франции. Его задача — доказать научную и технологическую возможность добычи энергии синтеза.

Профессор Гэмпшир выразил надежду, что этот анализ поможет в разработке политической доктрины вокруг термоядерных реакторов и привлечет инвестиции частного сектора.

«Синтез, деление или сжигание ископаемого топлива — это единственные практические возможности крупномасштабной добычи энергии. Подсчитать стоимость термоядерного реактора довольно сложно, учитывая вариации в стоимости сырья и обменные курсы.

Но это шаг в правильном направлении.

Мы знали о возможностях термоядерных реакторов в течение многих лет, но многие просто не верят, что они когда-нибудь будут построены из-за технологических проблем, которые должны быть преодолены, и неопределенных затрат».

Хотя остаются некоторые технологические проблемы, которые нужно преодолеть, у экспертов уже имеются мощные аргументы, основанные на лучших имеющихся данных, в пользу того, что станции синтеза могут быть экономически жизнеспособны.

Доклад ученых, подготовленный в рамках энергетической программы Исследовательского совета Великобритании, фокусируется на последних достижениях в области высокотемпературных сверхпроводников.

Эти материалы могут быть использованы для построения мощных магнитов, удерживающих горячую плазму внутри сосуда, известного как токамак, в самом сердце термоядерного реактора. Развитие технологий предполагает, что сверхпроводящие магниты можно строить по частям, а не одним куском.

Вследствие этого, обслуживание, которое очень дорогое в радиоактивной сфере, будет дешевле, поскольку отдельные участки магнита можно будет извлечь для ремонта или замены, не разбирая целое устройство.

В то время как анализ рассматривает стоимость строительства, эксплуатации и вывода из эксплуатации термоядерной электростанции, он не принимает во внимание расходы на утилизацию радиоактивных отходов, связанных с ядерным реактором. В случае с термоядерным реактором, единственным радиоактивным отходом будет токамак после списания, при этом степень его радиоактивности во время срока эксплуатации будет также невысока.

Источник: https://Hi-News.ru/technology/eksperty-termoyadernye-reaktory-ekonomicheski-zhiznesposobny.html

Ядерная (Атомная) энергия

20 11 2016      greenman       Пока нет комментариев Плюсы и минусы термоядерной энергетики

Применение атомной энергии

Применение ядерной энергии в современном мире оказывается настолько важным, что если бы мы завтра проснулись, а энергия ядерной реакции исчезла, мир, таким как мы его знаем, пожалуй, перестал бы существовать.

Мирное использование источников ядерной энергии составляет основу промышленного производства и жизни таких стран, как Франция и Япония, Германия и Великобритания, США и Россия.

И если две последние страны еще в состоянии заместить ядерные источники энергии на тепловые станции, то для Франции, или Японии это попросту невозможно.

Использование атомной энергии создает много проблем.

В основном все эти проблемы связаны с тем, что используя себе на благо энергию связи атомного ядра (которую мы и называем ядерной энергией), человек получает существенное зло в виде высокорадиоактивных отходов, которые нельзя просто выбросить. Отходы от атомных источников энергии требуется перерабатывать, перевозить, захоранивать, и хранить продолжительное время в безопасных условиях.

Плюсы и минусы, польза и вред от использования ядерной энергии

Рассмотрим плюсы и минусы применения атомной-ядерной энергии, их пользу, вред и значение в жизни Человечества. Очевидно, что атомная энергия сегодня нужна лишь промышленно развитым странам.

То есть, основное применение мирная ядерная энергия находит в основном, на таких объектах, как заводы, перерабатывающие предприятия, и т.п.

Именно энергоемкие производства, удаленные от источников дешевой электроэнергии (вроде гидроэлектростанций) задействуют ядерные станции для обеспечения и развития своих внутренних процессов.

Аграрные регионы и города не слишком нуждаются в атомной энергии. Ее вполне можно заместить тепловыми и другими станциями.

Получается, что овладение, получение, развитие, производство и использование ядерной энергии по большей части направлено на удовлетворение наших потребностей в промышленной продукции.

Посмотрим, что это за производства: автомобильная промышленность, военные производства, металлургия, химическая промышленность, нефтегазовый комплекс, и т.д.

Современный человек хочет ездить на новой машине? Хочет одеваться в модную синтетику, кушать синтетику и упаковывать все в синтетику? Хочет ярких товаров разных форм и размеров? Хочет все новых телефонов, телевизоров, компьютеров? Хочет много покупать, часто менять оборудование вокруг себя? Хочет вкусно питаться химической едой из цветных упаковок? Хочет жить спокойно? Хочет слышать сладкие речи с телеэкрана? Хочет, чтобы танков было много, а также ракет и крейсеров, а еще снарядов и пушек?

Хочет?

И он все это получает. Неважно, что в конце расхождение между словом и делом приводит к войне. Неважно, что для его утилизации также нужна энергия. Пока что человек спокоен. Он ест, пьет, ходит на работу, продает и покупает.

А для всего этого нужна энергия. А еще для этого нужно очень много нефти, газа, металла и т.п. И все эти промышленные процессы нуждаются в атомной энергии. Поэтому кто бы что ни говорил, до тех пор, пока не будет запущен в серию первый промышленный реактор термоядерного синтеза, атомная энергетика будет только развиваться.

В плюсы ядерной энергии мы можем смело записать все то, к чему мы привыкли. К минусам – печальную перспективу скорой смерти в коллапсе исчерпания ресурсов, проблемах ядерных отходов, росте численности населения и деградации пахотных площадей.

Иначе говоря, атомная энергетика позволила человеку еще сильнее начать овладевать природой, насилуя ее сверх меры настолько, что он за несколько десятилетий преодолел порог воспроизводства основных ресурсов, запустив между 2000 и 2010 годами процесс схлопывания потребления.

Этот процесс объективно уже не зависит от человека.

Всем придется меньше есть, меньше жить и меньше радоваться окружающей природе.

Здесь кроется еще один плюс-минус атомной энергии, который заключается в том, что страны, овладевшие атомом, смогут эффективнее перераспределять под себя скудеющие ресурсы тех, кто атомом не овладел.

Более того, только развитие программы термоядерного синтеза позволит человечеству элементарно выжить. Теперь поясним на пальцах, что же это за «зверь» — атомная (ядерная) энергия и с чем ее едят.

Масса, материя и атомная (ядерная) энергия

Часто приходится слышать утверждение, что «масса и энергия одно и то же», или же такие суждения, будто выражение Е=mс2 объясняет взрыв атомной (ядерной) бомбы.

Сейчас, когда вы получили первое представление о ядерной энергии и ее применении, было бы поистине неразумно сбивать вас с толку такими утверждениями, как «масса равна энергии». Во всяком случае, такой способ трактовки великого открытия не из лучших.

По-видимому, это всего лишь острословие молодых реформистов, «Галилеев нового времени». На деле же предсказание теории, которое проверено многими экспери-ментами, говорит лишь о том, что энергия имеет массу.

Сейчас мы разъясним современную точку зрения и дадим небольшой обзор истории ее развития.
Когда энергия любого материального тела возрастает, его масса увеличивается, и мы приписываем эту дополнительную массу приросту энергии. Например, при поглощении излучения поглотитель становится горячее и его масса возрастает.

Однако возрастание настолько мало, что остается за пределами точности измерений в обычных опытах. Напротив, если вещество испускает излучение, то оно теряет капельку своей массы, которая уносится излучением. Возникает более широкий вопрос: не обусловлена ли вся масса вещества энергией, т. е.

не заключен ли во всем веществе громадный запас энергии? Много лет назад радиоактивные превращения на это ответили положительно. При распаде радиоактивного атома выделяется огромное количество энергии (в основном в виде кинетической энергии), а малая часть массы атома исчезает. Об этом ясно говорят измерения.

Таким образом, энергия уносит с собой массу, уменьшая тем самым массу вещества.

Следовательно, часть массы вещества взаимозаменяема массой излучения, кинетической энергией и т. п. Вот почему мы говорим: «энергия и вещество способны частично к взаимным превращениям». Более того, мы теперь можем создавать частицы вещества, которые обладают массой и способны полностью превращаться в излучение, также имеющее массу.

Энергия этого излучения может перейти в другие формы, передав им свою массу. И наоборот, излучение способно превращаться в частицы вещества. Так что вместо «энергия обладает массой» мы можем сказать «частицы вещества и излучение — взаимопревращаемы, а потому способны к взаимным превращениям с другими формами энергии».

В этом и состоит создание и уничтожение вещества. Такие разрушительные события не могут происходить в царстве обычной физики, химии и техники, их следует искать либо в микроскопических, но активных процессах, изучаемых ядерной физикой, либо в высокотемпературном горниле атомных бомб, на Солнце и звездах.

Читайте также:  Стоит ли покупать беспроводные наушники

Однако было бы неразумно утверждать, что «энергия — это масса». Мы говорим: «энергия, как и вещество, имеет массу».

Масса обычного вещества

Мы говорим, что масса обычного вещества таит в себе огромный запас внутренней энергии, равной произведению массы на (скорость света)2. Но эта энергия заключена в массе и не может быть высвобождена без исчезновения хотя бы части ее.

Как возникла столь удивительная идея и почему она не была открыта раньше? Ее предлагали и раньше — эксперимент и теория в разных видах,— но вплоть до двадцатого века изменение энергии не наблюдали, ибо в обычных экспериментах оно соответствует невероятно малому изменению массы.

Однако сейчас мы уверены, что летящая пуля благодаря своей кинетической энергии имеет дополнительную массу. Даже при скорости 5000 м/сек пуля, которая в покое весила ровно 1 г, будет иметь полную массу 1,00000000001 г.

Раскаленная добела платина массой 1 кг всего прибавит 0,000000000004 кг и практически ни одно взвешивание не сможет зарегистрировать эти изменения. Только когда из атомного ядра высвобождаются огромные запасы энергии или когда атомные «снаряды» разгоняются до скорости, близкой к скорости света, масса энергии становится заметной.

С другой стороны, даже едва уловимая разница масс знаменует возможность выделения огромного количества энергии. Так, атомы водорода и гелия имеют относительные массы 1,008 и 4,004.

Если бы четыре ядра водорода смогли объединиться в одно ядро гелия, то масса 4,032 изменилась бы до 4,004. Разница невелика, всего 0,028, или 0,7%. Но она означала бы гигантское выделение энергии (преимущественно в виде излучения).

4,032 кг водорода дали бы 0,028 кг излучения, которое имело бы энергию около 600000000000 Кал.

Сравните это с 140 000 Кал, выделяющимися при соединении того же количества водорода с кислородом в химическом взрыве.
Обычная кинетическая энергия дает заметный вклад в массу очень быстрых протонов, получаемых на циклотронах, и это создает трудности при работе с такими машинами.

Почему мы все же верим, что Е=mс2

Сейчас мы воспринимаем это как прямое следствие теории относительности, но первые подозрения возникли уже ближе к концу 19 века, в связи со свойствами излучения. Тогда казалось вероятным, что излучение обладает массой.

А поскольку излучение переносит, как на крыльях, со скоростью с энергию, точнее, само есть энергия, то появился пример массы, принадлежащей чему-то «невещественному». Экспериментальные законы электромагнетизма предсказывали, что электромагнитные волны должны обладать «массой».

Но до создания теории относительности только необузданная фантазия могла распространить соотношение m=Е/с2 на другие формы энергии.

Всем сортам электромагнитного излучения (радиоволнам, инфракрасному, видимому и ультрафиолетовому свету и т. д.) свойственны некоторые общие черты: все они распространяются в пустоте с одинаковой скоростью и все переносят энергию и импульс.

Мы представляем себе свет и другое излучение в виде волн, распространяющихся с большой, но определенной скоростью с=3*108 м/сек. Когда свет падает на поглощающую поверхность, возникает теплота, показывающая, что поток света несет энергию. Эта энергия должна распространяться вместе с потоком с той же скоростью света.

На деле скорость света именно так и измеряется: по времени пролета порцией световой энергии большого расстояния.

Когда свет падает на поверхность некоторых металлов, он выбивает электроны, вылетающие точно так же, как если бы их ударил компактный шарик. Энергия света, по всей видимости, распространяется концентрированными порциями, которые мы называем «квантами».

В этом и заключается квантовый характер излучения, несмотря на то, что эти порции, по-видимому, создаются волнами. Каждая порция света с одной и той же длиной волны обладает единой и той же энергией, определенным «квантом» энергии. Такие порции мчатся со скоростью света (собственно, они-то и есть свет), перенося энергию и количество движения (импульс).

Все это позволяет приписать излучению некую массу — каждой порции приписывается определенная масса.

При отражении света от зеркала теплота не выделяется, ибо отраженный луч уносит всю энергию, но на зеркало действует давление, подобное давлению упругих шариков или молекул. Если же вместо зеркала свет попадает на черную поглощающую поверхность, давление становится вдвое меньше.

Это свидетельствует о том, что луч несет количество движения, поворачиваемое зеркалом. Следовательно, свет ведет себя так, как если бы у него была масса.

Но можно ли откуда-то еще узнать, что нечто обладает массой? Существует ли масса по своему собственному праву, как, например, длина, зеленый цвет или вода? Или это искусственное понятие, определяемое поведением наподобие Скромности? Масса, на самом деле, известна нам в трех проявлениях:

  • А. Туманное утверждение, характеризующее количество «вещества», (Масса с этой точки зрения присуща веществу — сущности, которую мы можем увидеть, потрогать, толкнуть).
  • Б. Определенные утверждения, увязывающие ее с иными физическими величинами.
  • В. Масса сохраняется.

Остается определить массу через количество движения и энергию. Тогда любая движущаяся вещь с количеством движения и энергией должна иметь «массу». Ее массой должно быть (количество движения)/(скорость).

Теория относительности

Стремление увязать воедино серию экспериментальных парадоксов, касающихся абсолютного пространства и времени, породило теорию относительности.

Два сорта экспериментов со светом давали противоречивые результаты, а опыты с электричеством еще больше обострили этот конфликт. Тогда Эйнштейн предложил изменить простые геометрические правила сложения векторов.

Это изменение и составляет сущность его «специальной теории относительности».

Для малых скоростей (от медлительной улитки до быстрейшей из ракет) новая теория согласуется со старой.
При высоких скоростях, сравнимых со скоростью света, наше измерение длин или времени модифицируется движением тела относительно наблюдателя, в частности масса тела становится тем больше, чем быстрее оно движется.

Затем теория относительности провозгласила, что это увеличение массы носит совершенно общий характер. При обычных скоростях никаких изменений нет, и только при скорости 100 000 000 км/час масса возрастает на 1%.

Однако для электронов и протонов, вылетающих из радиоактивных атомов или современных ускорителей, оно достигает 10, 100, 1000%….

Опыты с такими высокоэнергетическими частицами великолепно подтверждают соотношение между массой и скоростью.

На другом краю находится излучение, не имеющее массы покоя. Это не вещество и его нельзя удержать в покое; оно просто имеет массу, и движется со скоростью с, так что его энергия равна mс2. О квантах, мы говорим как о фотонах, когда хотим отметить поведение света как потока частиц. Каждый фотон имеет определенную массу m, определенную энергию Е=mс2 и количество движения (импульс).

Ядерные превращения

В некоторых экспериментах с ядрами массы атомов после бурных взрывов, складываясь, не дают ту же самую полную массу. Освобожденная энергия уносит с собой и какую-то часть массы; кажется, что недостающая часть атомного материала исчезла. Однако если мы припишем измеренной энергии массу Е/с2, то обнаружим, что масса сохраняется.

Аннигиляция вещества

Мы привыкли думать о массе как о неизбежном свойстве материи, поэтом переход массы из вещества в излучение — от лампы к улетающему лучу света выглядит почти как уничтожение вещества.

Еще один шаг — и мы с удивлением обнаружим то, что происходит на самом деле: положительный и отрицательный электроны, частички вещества, соединившись вместе, полностью превращаются в излучение. Масса их вещества превращается в равную ей массу излучения.

Это случай исчезновения вещества в самом буквальном смысле. Как в фокусе, во вспышке света.

Измерения показывают, что (энергия, излучения при аннигиляции)/ с2 равна полной массе обоих электронов — положительного и отрицательного. Антипротон, соединяясь с протоном, аннигилирует, обычно с выбросом более легких частиц с большой кинетической энергией.

Создание вещества

Сейчас, когда мы научились распоряжаться высокоэнергетическим излучением (сверхкоротковолновыми рентгеновскими лучами), мы можем приготовить из излучения частицы вещества.

Если такими лучами бомбардировать мишень, они дают иногда пару частиц, например положительный и отрицательный электроны.

И если снова воспользоваться формулой m=Е/с2 как для излучения, так и для кинетической энергии, то масса будет сохраняться.

Просто о сложном – Ядерная (Атомная) энергия

  • Галерея изображений, картинки, фотографии.
  • Ядерная энергия, энергия атома – основы, возможности, перспективы, развитие.
  • Интересные факты, полезная информация.
  • Зеленые новости – Ядерная энергия, энергия атома.
  • Ссылки на материалы и источники – Ядерная (Атомная) энергия.

Источник: http://greensource.ru/vidy-jenergii/jadernaja-atomnaja-jenergija.html

Плюсы атомной энергетики

Происходит этот процесс в атомных электростанциях.

Использование и популяризация атомной (ядерной) энергии вызывает дискуссии на протяжении более чем 65 лет. Споры начались даже не с момента, когда была запущена в эксплуатацию первая в мире атомная электростанция (Обнинская АЭС в 1954 году), а гораздо раньше. Во времена СССР существовала убежденность в том, что на службе людям используется «мирный атом», от которого не может быть негативных последствий. Катастрофа на Чернобыльской АЭС в 1986 год в Украине показала обратное, после нее было еще несколько масштабных катастроф.

Активисты призывают отказаться от ядерной энергетики ввиду ее опасности. И некоторые страны в планах своего развития на ближайшие годы такой пункт действительно внесли. Тем не менее, в общемировом контексте атомная энергетика играет огромную роль.

Она помогает решить ряд актуальных проблем, которые иначе решить вряд ли возможно. Плюсы атомной энергетики очень значимы и существенны. Не надо забывать, что в обыденной жизни большинство из нас пользуется преимуществами того самого «мирного атома».

Ядерная энергетика – решение в борьбе с нехваткой энергии

Человечество требует все больше энергии. Согласно прогнозам, в течение последующих 50 лет ее будет использовано больше, чем за всю предшествующую историю существования рода людского. И энергии уже заметно не хватает.

Серьезно учитывать альтернативные возобновляемые источники можно будет не раньше 2030 года. Ископаемые энергоресурсы пока еще активно добываются, но они имеют свойство заканчиваться.

И однажды это произойдет — все доступные для разработки месторождения опустеют.

Уже сейчас есть серьезная проблема с выбросами газа после сжигания угля, нефти и газа на теплоэлектростанциях. Люди все больше ощущают последствия «парникового эффекта». Строительство «экологичных» гидроэлектростанций сталкивается с рядом ограничений.

Один из путей решения проблемы с нехваткой энергии – максимально использовать ядерную энергетику. Эта область науки и экономики молода и активно развивается.

34 страны эксплуатируют АЭС и еще некоторые закупают энергию, полученную на атомных электростанциях. Главная причина популярности АЭС – их чрезвычайная мощность.

Атомные электростанции могут дать столько энергии, сколько нужно в условиях растущих потребностей. Есть и другие плюсы атомной энергетики.

Основные преимущества электростанций на ядерном топливе

Ввиду того, что было сказано выше, человечество заинтересовано в огромной, просто фантастической энергоемкости атомного топлива. 1 килограмм урана с обогащением до 4% после полного выгорания дает столько же энергии, сколько выделяется при сгорании 100 тонн высококлассного каменного угля либо 60 тонн нефти. Другие плюсы атомной энергетики:

  • Топливо можно использовать по второму кругу. Нуклид уран-235 при использовании топлива выгорает не на 100%. Его можно регенерировать и задействовать повторно. С остатками и отходами органического топлива это сделать не получится. Ведутся исследования по разработке замкнутого топливного цикла, при котором отходов урана может не быть вообще.
  • АЭС не дают парниковых выбросов. В отличие от других источников энергии, атомная энергетика развивается и не усугубляет парниковый эффект. Последний считается проблемой планетарного масштаба, так как провоцирует глобальное потепление и изменение климата. Считается, что атомные электростанции в Европе помогают избежать выбросов 700 млн. тонн СО2 в год, а в России – 210 млн. тонн.
  • Ядерная энергетика положительно влияет на развитие экономики. При возведении АЭС создаются рабочие места на самой станции и в смежных областях. Взаимосвязаны развитие атомной энергетики, количество научных исследований и экономический рост страны.

Другие аргументы «за» ядерное топливо

Это – главные плюсы атомной энергетики, из-за которых она востребована, развивается, совершенствуется и распространяется. Есть еще и дополнительные. Среди них:

  • Дешевизна получения энергии, экономичность по сравнению с углем и другим органическим топливом.
  • Высокая экологичность процесса и результата. Долгое время считалось, что «мирный атом» положит конец загрязнению окружающей среды. Города, расположенные вблизи АЭС, являются зелеными и экологически чистыми, и, если загрязняются, то от других факторов. При этом ТЭС создают около 25% всех вредных выбросов в атмосферу.
  • Экономия пространства и других природных ресурсов (АЭС размещается не небольшой площади).
  • Развитие технологий может решить проблему утилизации радиоактивных отходов. Значит, одним из минусов использования атома станет меньше.
  • Возобновляемые источники энергии, на которые возлагается большой комплекс надежд, могут оказаться неспособными избавить мир от энергетического кризиса. В этом случае будущее – за атомной энергетикой.
  • Совершенствование ядерных технологий может спровоцировать революцию в сфере безопасной энергетики.
Читайте также:  Геленджик: плюсы и минусы отдыха на курорте

Атомная энергия характеризуется прекрасной рентабельностью и малой себестоимостью. Расходы на перевозку топлива к месту его использования практически равны нулю. Особенно по сравнению с другими видами электростанций (например, на угольных транспортировка угля забирает до 50% затрат). Для АЭС не требуется постройка очистительных сооружений.

Но это не все плюсы атомной энергетики. Важен еще один момент – так называемый приближающийся энергетический голод. Залежи углеродного топлива истощаются. Зато запасов урана и прочих радиоактивных элементов в земной коре – много миллионов тонн. И, при имеющейся скорости потребления, этот ресурс можно назвать неисчерпаемым.

В двух словах, атом дает безопасную и дешевую энергию. В нормальных условиях она не загрязняет воздух, позволяет многим странам избавиться от внешней энергетической зависимости и развивать свою экономику. Эта область очень перспективна и многообещающа.

Атомная энергетика – панацея современной экономики?

Для России доля ядерной энергетики составляет около 19,3% всего энергобаланса страны. При этом показатель из года в год растет: с 15,9% до 19,3% в 2007-2018 годах.

На территории РФ работает 11 АЭС, эксплуатируется 37 энергоблоков. В стране действует Энергетическая стратегия, рассчитанная до 2030 года.

Она предусматривает наращивание производства электроэнергии на атомных электростанциях в четыре раза.

Ресурсы ядерной энергетики могут на 100% обеспечить мир энергоносителями. Никакой другой энергетической сфере такое не под силу. Именно поэтому возможности АЭС так активно используются. Но не стоит забывать, что у данной энергетической сферы есть и недостатки, вплоть до возможности глобального уничтожения жизни на Земле.

Что перевешивает – плюсы атомной энергетики или минусы – вполне очевидно. Атомные электростанции активно используются, новые энергоблоки строятся, заключаются контракты на возведение новых АЭС в будущем.

Чтобы минимизировать негативные последствия, нужно руководствоваться правилами ядерной и радиационной безопасности, обучать персонал и проводить проверки. И это вполне реально.

Поэтому можно сказать, что мир сделал свой выбор в пользу атома.

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5b2ccc835870da00a9db62c8/5b3bcd8b56ce7800a92133db

Термоядерный век

В июне 2009-го на четвертом заседании Совета Международного экспериментального термоядерного реактора (ITER) в японском городе Мито был одобрен поэтапный подход к строительству установки, а 2018 год обозначен как срок окончания работ и получения первой плазмы. Таким образом, участники проекта зафиксировали намерение продолжать проект ITER вопреки мировому экономическому кризису.

А в ноябре нынешнего года на пятом заседании Совета ITER во французском центре Кадараш решили, что функционирование ITER на основе дейтериево-тритиевого топлива должно начаться еще раньше. Возможно, окончательно Совет определится со сроками в феврале 2010 года.

Но все национальные агентства уже подписали договоры с промышленными предприятиями о начале поставок, то есть ITER входит в стадию строительства. Изначально при подписании 21 ноября 2006-го в Париже соглашения о создании Международной организации ITER датой получения первой плазмы указывался 2016-й.

Однако позднее ее передвинули на два года позже, а начало полномасштабной эксплуатации реактора — на 2026-й. Длительный промежуток времени между первой плазмой и сдачей в эксплуатацию объясняется необходимостью «доводки» железа.

Первоначальное затягивание проекта было связано с острой дискуссией о месте строительства объекта. В итоге выбор пал на французский атомный центр Кадараш, расположенный неподалеку от Экс-ан-Прованса. Основным его конкурентом был японский город Рокасё-мура.

Далее, скорее всего, споры разгорятся вокруг финансирования.

Долевое участие в финансировании проекта распределили следующим образом: Евросоюз должен обеспечить около 40%, остальные страны-участники — по 10%.

Однако беспокойство вызывает то, что с 2001 года ни разу не пересматривался бюджет — пять миллиардов долларов. Требуемая смета, по словам физиков, значительно выше и может достичь 16 млрд долларов.

Зачем нам термояд

Суть термоядерной энергетики — использование энергии, которая выделяется не при делении тяжелых атомных ядер, как на обычной атомной станции, а при слиянии (синтезе) легких. Именно так происходит взрыв водородной бомбы, когда ядра тяжелого (дейтерий) и сверхтяжелого (тритий) водорода сливаются, образуя ядра гелия с выделением огромного количества энергии.

Дело за малым — научиться применять этот процесс в мирных целях. В кадарашском термоядерном реакторе собирались использовать либо слияние дейтерия с тритием (российский вариант), либо с гелием-3 (американское предложение).

Поскольку с гелием на Земле ситуация напряженная, выбор пал на российский вариант (правда, РФ уже объявила о планах построения космической станции на Луне после 2015 года, которая займется и получением гелия).

Чтобы началась реакция синтеза, ядра надо столкнуть, чему мешает их электростатическое (кулоновское) отталкивание.

Для его преодоления нужно нагреть исходные материалы до сверхвысоких температур — в сотни миллионов градусов, выше температуры Солнца — и создать сильное давление. В термоядерной бомбе для запуска реакции сначала взрывают небольшой атомный заряд.

Если на кадарашском реакторе удастся получить на выходе больше энергии, нежели потратить на создание плазмы и ее сжатие, эксперимент можно будет считать успешным.

Проблема заключается в том, что плазма является неустойчивым состоянием вещества. Чтобы предотвратить ее контакт со стенками камеры, ученые разработали несколько способов удержания плазмы. Наиболее эффективным оказался токамак (тороидальная камера с магнитными катушками), одним из авторов которого являлся советский академик Андрей Сахаров.

Началом современной эпохи в изучении возможностей термоядерного синтеза считается 1969 год, когда на советском токамаке ТЗ около одного кубометра плазмы удалось нагреть до трех миллионов градусов по Цельсию. Уже через несколько лет было принято решение о создании установки JET (Joint European Torus) с гораздо большим объемом плазмы (почти 100 кубометров).

Эта установка начала работать в 1983 году и остается пока крупнейшим в мире токамаком, обеспечивающим нагрев плазмы до температуры +150 млн °С.

Эксперименты, которые проводятся в Великобритании в рамках программы JET, показывают, что ядерный синтез может обеспечить не только текущие энергетические потребности человечества (16 ТВт), но и выработать значительно большее количество энергии.

Возможная альтернатива

Датой рождения ITER принято считать 1985 год, когда на Международном женевском саммите генеральный секретарь ЦК КПСС Михаил Горбачев на встрече с французским лидером Франсуа Миттераном и президентом США Рональдом Рейганом предложил идею совместного строительства экспериментального реактора.

В 1992-м в Вашингтоне подписали четырехстороннее — Евросоюз, США, Россия и Япония — межправительственное соглашение о разработке ITER, в 2001-м был завершен технический проект реактора. Через два года к проекту подключились Канада, Китай и Южная Корея. Место строительства было выбрано в 2005 году, и тогда же в состав участников вошла Индия.

А 25 мая 2006-го было подписано соглашение о начале практической фазы проекта, и уже в декабре заключены первые 40 контрактов с персоналом.

Параллельно с токамаком ученые в Соединенных Штатах рассматривают альтернативные решения. Наиболее перспективным считается метод с инерционным удержанием плазмы. В этом случае топливные таблетки, содержащие дейтерий и тритий, нагреваются лазерными лучами или пучками ионов. При быстром нагреве таблетки сжимаются или взрываются, вынуждая ядра водорода сливаться с выделением энергии.

Пока вокруг проекта ITER велись дебаты, в июне нынешнего года в Калифорнии стартовал другой проект стоимостью 3,5 млрд долларов — National Ignition Facility (NIF, буквально — «национальный комплекс зажигания»). Комплекс состоит из 192 лазеров высокой мощности, лучи которых фокусируются на миниатюрном образце из дейтерия и трития.

В феврале 2009-го на NIF были впервые опробованы все 192 лазера, и именно этому комплексу сегодня принадлежит рекорд мощности светового импульса — более одного мегаджоуля. Но до характеристик, требующихся для запуска термоядерной реакции, еще далеко. Как прогнозируют в самом центре, минимум год.

И не исключено, что попытки будут тщетными.

Многие эксперты сомневаются и в экономическом эффекте лазерного метода, поскольку лазер сам по себе достаточно энергоемок. Однако американские власти рассматривают будущее NIF в контексте не энергетики, а обороны. С помощью этой установки армия США якобы сможет поддерживать в боеспособном состоянии свои арсеналы в условиях моратория на ядерные испытания.

Плюсы и минусы

Основное преимущество ядерного синтеза в том, что для него в качестве топлива требуется очень небольшое количество распространенных в природе веществ.

Чтобы обеспечить работу тепловой электростанции мощностью 1 ГВт, необходимо десять тысяч тонн угля в день (десять железнодорожных вагонов), а термоядерная установка такой же мощности будет потреблять в день лишь около килограмма смеси дейтерия и трития.

Дейтерий довольно легко добывать из воды: примерно в одной из каждых 3350 ее молекул один из атомов обычного водорода замещен дейтерием. Более сложным является получение трития. Однако предполагается, что тритий будет возникать прямо внутри термоядерной установки в процессе работы за счет реакции нейтронов с литием (опять-таки как в водородной бомбе).

По прогнозам профессора Оксфордского университета, бывшего председателя Совета ITER Кристофера Ллуэллин-Смита, термоядерная установка даже с учетом неидеальной эффективности сможет производить 200 МВт-ч электрической энергии, что эквивалентно сжиганию 70 тонн угля. Требуемое для этого количество лития содержится в одной батарее ноутбука, а дейтерия — в 45 литрах воды.

Превращать термоядерную энергию собираются, конечно, в электрическую. Некоторая её часть должна использоваться для нагревания плазмы, а также работы сверхпроводящих обмоток электромагнитов и других систем.

В самой примитивной модели мощность термоядерной энергии оценивается в пять гигаватт. На выходе ожидается два гигаватта электричества, из которых полгигаватта пойдет на обеспечение процесса его получения.

Более эффективная модель, согласно прогнозам, будет давать примерно 2,5 ГВт термоядерной энергии и 1,5 ГВт электричества на выходе.

Кроме того, в пользу термоядерной энергетики свидетельствует высокая внутренняя безопасность: используемая в термоядах плазма имеет очень низкую плотность — в миллион раз ниже плотности атмосферы.

Вследствие этого рабочая среда установок никогда не будет содержать в себе энергии, достаточной для возникновения серьезных происшествий. Загрузка «топливом» должна производиться непрерывно, что позволяет легко останавливать работу установки, в отличие от АЭС.

В случае полного отказа контура охлаждения радиоактивность стенок продолжит выделять тепло, но максимальная температура будет значительно ниже того значения, при котором установка расплавится.

Следующий аргумент — отсутствие долгоживущих высокорадиоактивных отходов. В ядерном реакторе при расщеплении ядра образуются два радиоактивных осколка, а в его стенках появляется наведенная радиация.

При термоядерном синтезе камера, в которой происходит процесс, становится мягко радиоактивной, но побочных продуктов нет. Радиоактивный тритий имеет относительно небольшой период полураспада — 12 лет.

При этом в плазме благодаря ее низкой плотности содержится очень небольшое количество трития, поэтому даже при гипотетическом полном разрушении оболочки реактора в окружающую среду поступит мизерное количество радиоактивного топлива.

Основным недостатком термоядерных реакторов является технологическая сложность осуществления самоподдерживающейся термоядерной реакции.

Системы с магнитным удержанием требуют огромных сверхпроводящих магнитных катушек, глубокого вакуума и чистоты стенок реактора, умения утилизировать высокие тепловые и нейтронные потоки, дистанционного обслуживания реактора.

Наконец, пока нет технических решений, способных преобразовывать в мирное электричество энергию, выделяющуюся во время термоядерного синтеза. Поэтому реактор ITER будет представлять собой экспериментальное устройство, не оборудованное даже турбинами для производства электроэнергии.

Целью его создания является изучение условий, которые должны выполняться при работе таких энергетических установок. Ожидается, что на базе полученного опыта человечество сможет приступить к созданию настоящих, экономически выгодных электростанций. Это требует решения двух задач.

Во-первых, необходимо продолжить разработку новых материалов, способных выдерживать суровые условия эксплуатации. Во-вторых, нужно решить много чисто технических задач и развить новые технологии, относящиеся к дистанционному управлению, конструкции оболочек, топливным циклам и т. д.

Окончательной фазой исследований станет DEMO: создание прототипа промышленного реактора, который сможет дать первую электроэнергию. По самым оптимистичным прогнозам, эта фаза завершится только через 30 лет. А от промышленного использования термоядерной энергии нас отделяет еще полвека.

Несколько лет назад нобелевский лауреат по физике, нынешний министр энергетики США Стивен Чу на конференции по проблемам энергетики сказал: «Я собираюсь пропустить в своем выступлении упоминания о термоядерных реакторах, потому что они, в свою очередь, собираются пропустить всё XXI столетие». Этот скепсис может развеять ближайшее десятилетие. Но при условии, что в 2010 году строительство экспериментальной установки всё-таки начнется.

Илона Заец, Эксперт-Украина

Источник: https://perspekt.org.ua/articles/958

Ссылка на основную публикацию