| Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел |
|
Термоядерный синтез Введение Современный мир диктует все более высокие требования в потреблению энергии. Проблема возникла из того, что обычные тепловые, гидроэлектро станции уже не в состоянии обеспечить общество необходимой энергией. Выходом из этой ситуации стала ядерная энергия. Хотя и она не была лишена недостатков Исторические аварии на атомных станциях в Чернобыле (Украина) и Фукусиме (Япония), заставили искать новые пути развития ядерной энергетики, несмотря на то, что это на сегодня самый экологически чистый способ добычи энергии. Еще одним из ограничивающих факторов стало истощение запасов урана 235, запасы которого не так велики. Вскоре была предложена идея использовать термоядерный синтез. Данный вид получения энергии покроет потребность в электриичестве на многие годы, а также топливо имеет практически неограниченный запас. Поэтому я выбрал в качестве индивидуального задания тему связанную с термоядерным синтезом. Термоядерная реакция Термоядерная реакция – это реакция синтеза легких ядер в более тяжелые. Для ее осуществления необходимо, чтобы исходные нуклоны или легкие ядра сблизились до расстояний, равных или меньших радиуса сферы действия ядерных сил притяжения (т.е. до расстояний 10–15 м). Такому взаимному сближению ядер препятствуют кулоновские силы отталкивания, действующие между положительно заряженными ядрами. Для возникновения реакции синтеза необходимо нагреть вещество большой плотности до сверхвысоких температур (порядка сотен миллионов Кельвин), чтобы кинетическая энергия теплового движения ядер оказалась достаточной для преодоления кулоновских сил отталкивания. При таких температурах вещество существует в виде плазмы. Поскольку синтез может происходить только при очень высоких температурах, ядерные реакции синтеза и получили название термоядерных реакций (от греч. therme «тепло, жар») [1]. В термоядерных реакциях выделяется огромная энергия. Например, в реакции синтеза дейтерия с образованием гелия: 
Рисунок 1 – Схема реакции дейтерий-тритий [1] Преимущества синтеза Сторонники использования термоядерных реакторов для производства электроэнергии приводят следующие аргументы в их пользу: • практически неисчерпаемые запасы топлива (водород). Например, количество угля, необходимого для обеспечения работы тепловой электростанции мощностью 1 ГВт составляет 10000 тонн в день (десять железнодорожных вагонов), а термоядерная установка такой же мощности будет потреблять в день лишь около 1 килограмма смеси D + T. Озеро среднего размера в состоянии обеспечить любую страну энергией на сотни лет. Это делает невозможным монополизацию горючего одной или группой стран; • отсутствие продуктов сгорания; • нет необходимости использовать материалы которые могут быть использованы для производства ядерного оружия, таким образом исключается случаи саботажа и терроризма; • по сравнению с ядерными реакторами, вырабатывается незначительное количество радиоактивных отходов с коротким периодом полураспада; • реакция синтеза не производит атмосферных выбросов углекислоты, что является главным вкладом в глобальное потепление [1]. Почему создание термоядерных установок столь затянулось? • Долгое время считалось, что проблема практического использования энергии термоядерного синтеза не требует срочных решений и действий, так как еще в 80-х годах прошлого столетия источники ископаемого топлива казались неистощимыми, а проблемы экологии и изменения климата не волновали общественность. На основании оценок Геологической службы США (2009) рост мировой добычи нефти будет продолжаться не более 20 ближайших лет (другие специалисты предсказывают, что пик добычи будет достигнут уже через 5–10 лет), после чего объем добываемой нефти начнет уменьшаться со скоростью около 3% в год. Перспективы добычи природного газа выглядят ненамного лучше. Обычно говорят, что каменного угля нам хватит еще на 200 лет, но этот прогноз основан на сохранении существующего уровня добычи и расхода. Между тем, потребление угля сейчас возрастает на 4,5% в год, что сразу сокращает упомянутый период в 200 лет всего до 50 лет! Из сказанного ясно, что уже сейчас мы должны готовиться к окончанию эпохи использования ископаемых типов горючего. • Термоядерную установку нельзя создать и продемонстрировать в малых размерах. Научно-технические возможности и преимущества термоядерных установок могут быть проверены и продемонстрированы лишь на достаточно крупных станциях, типа упоминавшегося реактора ITER. Общество просто не было готово к финансированию столь крупных проектов, пока не было достаточной уверенности в успехе [1]. Управляемые термоядерные реакции Если бы в земных условиях была возможность осуществлять легко управляемые термоядерные реакции, человечество получило бы практически неисчерпаемый источник энергии, так как запасы водорода на Земле огромны. Однако на пути осуществления энергетически выгодных управляемых термоядерных реакций стоят большие технические трудности. Прежде всего необходимо создавать температуры порядка 108 К. Такие сверхвысокие температуры могут быть получены путем создания в плазме электрических разрядов большой мощности [2]. В 2006 представители России, Южной Кореи, Китая, Японии, Индии, Евросоюза и США подписали в Париже соглашение о начале работ по строительству первого Международного термоядерного экспериментального реактора (International Tokamak Experimental Reactor – ITER). Магнитные катушки реактора ITER будут созданы на основе сверхпроводящих материалов (что, в принципе, позволяет работать непрерывно при условии поддержания тока в плазме), так что проектировщики надеются обеспечить гарантированный рабочий цикл длительностью не менее 10 минут [1]. 
Рисунок 2 – Конструкция реактора ITER [2]. Реактор будет построен в районе города Кадараш (Cadarache), расположенного в 60 километрах от Марселя на юге Франции. Работы по подготовке стройплощадки начнутся весной будущего года. Возведение самого реактора планируется начать в 2009 году. Строительство продлится десять лет, работы на реакторе предполагается проводить в течение двадцати лет. Общая стоимость проекта составляет примерно 10 миллиардов долларов. Сорок процентов расходов будет нести Евросоюз, шестьдесят процентов придутся в равных долях на остальных участников проекта [2]. Заключение Сама идея использования термоядерного синтеза довольно нова. Таким образом публикаций на данную тему довольно мало, однако можно встретить статьи, в которых автор приводит проблему управления термоядерной реакцией [3]. Также есть работы посвященные использованию водорода в целом, например как для топлива для автомобилей так и для термоядерного синтеза [4]. Таким образом физикам еще предстоит долгий путь к совершенствованию реакторов, которые способны управлять термоядерным синтезом. Потребность человека в электричестве обусловлена техническим развитием. Это значит, что уже сейчас необходимо искать новые, действительно эффективные способы получения энергии и термоядерный синтез может обеспечить нас энегрией на века. Источники 2. Управляемый термоядерный синтез выходит на финишную прямую 3. Термоядерный синтез как источник энергии, использование плазмы |
