Термоядерная энергия плюсы и минусы – Плюсы и минусы термоядерной энергетики

Плюсы и минусы термоядерной энергетики

Больше 80 лет учёные работают над перспективами внедрения термоядерной генерации электроэнергии. Создано множество научных организаций и исследовательских реакторов во всём мире. Многие сообщения о разработках публикуются в оптимистичных тонах. Но на самом деле, существует несколько очень серьёзных проблем, которые требуют инновационных технических решений. Человечество все ещё не смогло отказаться от сжигания нефтепродуктов и сравнительно молодой, но достаточно обременяющей технологии традиционной добычи атомной энергии. Много хлопот доставляют отходы от использования радиационно-ядерных технологий, потому что методы обращения с такими отходами очень дорогостоящие и несовершенны. Несмотря на то, что наука постоянно идёт вперёд, радиоактивные отходы останутся проблемой человечества на столетия.

Теория

Для понимания сути технологии термоядерного синтеза, которая позволяет более экологически и экономно производить энергию, необходимо ознакомиться с некоторыми базовыми понятиями.

В состав ядра атома (в первом приближении) входят протоны и нейтроны (общее название нуклоны). Энергия связи у лёгких ядер увеличивается с повышением количества нуклонов, а у тяжёлых – уменьшается. При добавлении нуклонов в лёгкие ядра или при удалении нуклонов из тяжелых, разница в энергии связи высвободится как разность между затратами на протекание реакции и кинетической энергией освобождённых частиц. Кинетическая энергия элементарных частиц преобразуется в тепловое перемещение атомов. Из-за такого движения (с соударениями и торможением частиц), энергия проявится повышением температуры, а именно, нагревом среды, где проходит такая реакция.

При взаимодействии между собой атомов дейтерия и дейтерия с тритием образуется много высокоэнергетических нейтронов, которые активируют конструкционные элементы реактора. Реакции взаимодействия протия с бором и дейтерия с гелием являются безнейтронными, они не приводят к активированию материалов. Реакция взаимодействия дейтерия имеет недостаток: дейтерий реагирует сам с собой, выделяется умеренное нейтронное излучение. Реакция взаимодействия протия и бора привлекает тем, что в результате получим 3 альфа-частицы, которые могут напрямую подвергаться снятию энергии (они фактически являют собой направлено движущиеся заряды, т. е. ток). В общем, перспективные реакции уже открыты, но их использование для промышленного производства электроэнергии затруднительно.

Преимущества термоядерной энергетики

• Более экологически чистое производство электроэнергии. «Побочными» результатами термоядерной реакции являются такие элементы как гелий-4 (инертный газ, нетоксичен) и тритий, который можно применять в качестве топлива. Применение «вторичного трития» уменьшит топливную составляющую, а значит, энергия будет дешевле.
• Относительная доступность синтезирующих материалов (топлива). Дейтерий без трудностей можно добыть из морской воды. Литий достаточно распространенный элемент в земной коре. Имеется возможность воспроизведения трития в термоядерных реакторах. Для запуска и работы термоядерного реактора при D-Т синтезе нужны только три вышеперечисленных вещества.
• Термоядерные установки, по сравнению с энергообьектами, которые используют нефтепродукты и уголь, не вредят окружающей среде посредством выделения парниковых газов, или аэрозольных загрязняющих веществ.
• Термоядерный синтез не относится к цепным реакциям, из-за этого он подвержен более стабильному и простому контролю. Термоядерная установка, в отличие от термоядерной бомбы, не может взорваться из-за ошибок персонала или поломок оборудования. Из-за конструктивных особенностей термоядерной энергетической установки и небольшого количества используемого топлива взрыв ядра реактора невозможен.
• Более безопасное использование энергообъекта. Эксплуатация термоядерного реактора намного безопаснее атомного. При его повреждении расплавления активной зоны и выброса радиоактивных веществ не происходит, так как при эксплуатации реакцию термоядерного синтеза нужно подпитывать базовым топливом или энергией.

Недостатки термоядерной энергетики

• Активация конструкционных материалов. Несмотря на то, что в активной зоне установки при реакции D-Т синтеза не создаются радиоактивные элементы, излучаемые нейтроны с течением времени производят активацию оболочки реактора. Проблему можно частично решить применением материалов, которые менее чувствительны к радиационному воздействию. В процессе эксплуатации термоядерного реактора небольшое количество радиоактивного трития может быть выброшено в окружающую среду. Период его полураспада (время, за которое он утратит половину радиоактивности) –12 лет.
• Широкое распространение промышленных термоядерных реакторов не прогнозируется раньше середины 21-го века
  . Технология их использования требует множества доработок и усовершенствований.
• Отсутствие сформированного общественного мнения о безопасности реакторов с термоядерным синтезом. Отсутствуют наработки об особенностях использования таких реакторов в промышленном режиме, их эффектах, а также влияния на окружающую среду и человека.
• Стоимость создания и постройки термоядерных реакторов намного превышает стоимость обычного ядерного реактора деления.
• Необходимо применение дорогих материалов, которые имеют низкую чувствительность к радиации. Такие материалы, по сравнению с обычными, более стойки к радиоактивной активации из-за бомбардировки нейтронами. Например, со сталью, которая применяется при изготовлении корпусов реакторов.

Вывод

Термоядерная энергия не является абсолютно безопасной. Потребуется ещё несколько десятилетий, а может и столетий, для доведения термоядерных установок до параметров необходимой производительности и технической надёжности. Похоже, ближайшие годы человечество будет использовать реакторы на быстрых нейтронах, сжигая достаточно распространенный уран и торий. Даже при условии, что коммерческий результат будет через несколько сотен лет, работы над термоядерными реакторами нужно продолжать, потому что именно их разработка сможет дать новый толчок развитию человечества.

Похожие записи

plusiminusi.ru

Преимущества и недостатки термоядерного синтеза для выработки электроэнергии

Преимущества термоядерного синтеза для выработки электроэнергии

• Единственными материальными «побочными» продуктами термоядерного синтеза являются гелий-4, безвредный инертный газ, и тритий, который используется в качестве дополнительного топлива.
• Дейтерий легко добывается из воды. Лития более чем достаточно в земной коре. Тритий можно воспроизводить в реакторе. Для работы термоядерного реактора на основе D—Т-синтеза необходимы только три этих вещества.
• Электростанция с термоядерным реактором не производит выбросов так называемых парниковых газов, угарного газа или пылевых загрязнителей, как это делают электростанции на природном топливе.
• Работающий термоядерный реактор безопаснее атомного реактора. Если он поврежден, то расплавления не происходит, так как в земных условиях термоядерный синтез необходимо постоянно поддерживать, «подпитывая» реактор топливом и/или энергией.
• Термоядерный синтез в земных условиях не является цепной реакцией, поэтому он не может выйти из-под контроля. Термоядерный реактор не взрывается. Термоядерная бомба способна взрываться потому, что взрывчатые компоненты (топливо для синтеза) в ней присутствуют в избытке и используются (реагируют) практически мгновенно, а не из-за цепной реакции. В термоядерном реакторе топлива для взрыва недостаточно.

Недостатки термоядерного синтеза для выработки электроэнергии

• Несмотря на то что непосредственно в процессе D—Т-синтеза не образуется радиоактивных отходов, высвобождающиеся нейтроны со временем радиоактивно заражают защитную оболочку реактора. Эту проблему можно частично решить за счет использования малочувствительных к радиации материалов. Они в меньшей степени подвержены радиоактивному заражению в результате бомбардировки нейтронами, чем обычные материалы (такие как сталь), применяющиеся при строительстве кожухов реактора. Однако малочувствительные к радиации сплавы достаточно дороги.
• В процессе работы термоядерного реактора некоторое количество радиоактивного трития может быть выброшено в окружающую среду. Его период полураспада (время, за которое он потеряет половину своей радиоактивности) составляет 12 лет.
• Широкое распространение действующих термоядерных реакторов не ожидается раньше середины XXI века. На сегодня остаются нерешенными серьезные технологические и логистические проблемы. Вдобавок общественность еще не убеждена в том, что термоядерные реакторы являются безопасными.

Вопрос

Представляют ли мощные магнитные поля, создаваемые катушками и плазмой, опасность для тех, кто обслуживает термоядерный реактор с магнитным удержанием плазмы?

Ответ

Воздействие магнитных полей — не проблема. Камеру, в которой находится плазма, можно экранировать с помощью листов из ферромагнитных материалов (железо или сталь), которые предохранят персонал от контакта с магнитными полями.

www.enersy.ru

Термоядерный синтез: неисчерпаемый источник энергии или величайший фейл в истории науки

10.08.2019

Термоядерный реактор — фантастически сложная и дорогая конструкция

За последнее столетие человечество совершило удивительный технологический рывок. Мы поднялись в небо, высадились на Луну, создали интернет. Однако, несмотря на очевидные достижения, основным источником энергии для нашей цивилизации остается газ, уголь и нефть. Но запасы их ограничены, к тому же сжигание ископаемого топлива вредит природе и способствует изменениям климата. Одно время панацеей казалась ядерная энергетика, обещавшая обеспечить потребности человечества дешевым электричеством, но этого так и не случилось. А после Чернобыля и Фукусимы стало очевидно, что атомным станциям нужно искать замену.

Альтернатива традиционной энергетике есть – речь идет об управляемом ядерном синтезе. Причем это не какая-то фантастика типа антигравитации или гиперпространства – подобные процессы протекают в недрах всех без исключения звезд, и их теоретические основы прекрасно известны ученым. Несмотря на это, искусственное солнце на Земле пока упорно не хочет зажигаться.

Изначально создание термоядерного реактора казалось простым делом. На заре ядерной эры инженеры полагали, что подобные устройства появятся в течение пяти-десяти лет. С той поры минуло более полувека, но мечты о дешевой и неиссякаемой энергии так и остались мечтами. Сегодня нам опять обещают представить работающий термоядерный реактор к концу следующего десятилетия, но реальны ли эти планы, сказать сложно. На реализацию идеи уже потрачено столько денег и человеческого труда, что данную тему называют самым грандиозным фейлом в истории науки.

Итак, на каких принципах работает управляемый ядерный синтез, в чем преимущество этой технологии и каковы ее недостатки? Ну и, самое главное: почему до сих пор не удалось построить термоядерный реактор, какие преграды встали на пути научного прогресса?

Немного физики, занимательной и не очень

Нейтроны и протоны в атомном ядре связываются за счет так называемого сильного взаимодействия. Чем легче ядро, тем больше энергия этой связи. Реакция ядерного синтеза – это тип реакции, при которой количество нуклонов (протонов или нейтронов) в ядре возрастает. При этом выделяется значительная энергия, за счет которой и должен работать наш реактор.

Солнце — ближайший к нам работающий термоядерный реактор

Однако все не так просто. Протоны обладают электрическим зарядом, следовательно, испытывают воздействие кулоновских сил. В ядре их компенсирует сильное взаимодействие, но оно работает только в очень небольших масштабах. Чтобы ядра начали сливаться, необходимо сблизить их на эту дистанцию, преодолев кулоновское отталкивание. В звездах эту работу выполняет сила притяжения, в водородной бомбе – специальный ядерный запал, в ускорителях – кинетическая энергия частиц, разогнанных электрическим полем.

Гравитация человеку пока что неподвластна, ускоритель слишком неудобен и дорог, поэтому для создания термоядерной реакции используется тепловой метод – исходные элементы нагревают до десятков и сотен миллионов градусов. Под воздействием высокой температуры частицы преодолевают силы кулоновского отталкивания и сближаются на дистанции, где начинает работать сильное взаимодействие.

Важнейшим является выбор исходного сырья для реакции. Причем реальных вариантов не так и много. Наиболее осуществимой считается реакция между двумя изотопами водорода – дейтерием (D) и тритием (T):

2H + 3H = 4He + n

Ее результатом является ядро гелия (альфа-частица) и высокоэнергетический нейтрон. При этом выделяется 17,6 мегаэлектронвольт энергии. Для начала процесса необходимо разогреть исходную смесь «всего лишь» до 100 млн градусов.

Схема единственной доступной для нас сейчас термоядерной реакции

Другим возможным вариантом является слияние двух ядер дейтерия («монотопливо»). Но при тех же 100 млн градусах данный процесс протекает в несколько раз медленнее, чем дейтерий-тритиевая реакция.

2H + 2H = Т + р + 4,032 МэВ

Весьма перспективно выглядит использование дейтерия и гелия-3:

2H + 3He = 4He + p + 18,4 МэВ

Данная реакция более выгодна энергетически, но осуществить ее куда сложнее: для ее начала необходима температура около 1 млрд градусов. Кроме того, непонятно, где брать гелий-3? Этого изотопа в избытке на Луне, но туда еще нужно добраться и организовать его сбор. Термоядерное взаимодействие дейтерия и гелия относится к так называемым безнейтронным реакциям. Они считаются более перспективными, так как не имеют потерь, связанных с нейтронным потоком, и, что самое главное, не вызывают наведенную радиоактивность в конструкционных материалах реактора.

Примерами подобных реакций могут служить:

• 2H + 6Li = 24He + 22,4 МэВ;
• 3He + 6Li = р + 24He + 16,9 МэВ;
• 3He + 3He = 2р + 4He + 12,86 МэВ.

Мы ежедневно можем наблюдать работающий прототип термоядерного реактора прямо у себя над головами. Однако реакция слияния протонов, которая происходит в недрах Солнца и других звезд, вообще не рассматривается в качестве рабочего способа получения энергии. Для ее инициации необходимо количество водорода равное примерно 80 массам Юпитера.

Конструкции термоядерных реакторов

Сегодня для создания высокотемпературной плазмы используются два основных типа устройств:

• квазистационарные;
• импульсные.

К первой группе относятся устройства, в которых нагрев плазмы, а также ее удержание осуществляется с помощью мощного магнитного поля — токамаки, стеллараторы, магнитные ловушки. Они отличаются лишь конфигурацией магнитного поля.

Российский токамак Т-15МД. Его запуск состоится в декабре 2020 года

Сейчас основные надежды инженеров и ученых связаны с токамаками. Эти устройства представляют собой тороидальные камеры со множеством внешних магнитов, которые удерживают плазму, не давая ей коснуться стенок. Кроме того, электрический ток непосредственно проходит по плазменному шнуру в вакуумной камере, что является главным отличием токамаков от других устройств данного типа. В мире построено более трехсот токамаков, такую же схему будет иметь реактор, разрабатываемый сейчас в рамках проекта ITER. В 2003 году на токамаке Tore Supra был поставлен рекорд длительности удержания плазмы – 6,5 минут. Еще в 90-е годы на токамаках TFTR и JET удалось добиться получения энергии, практически равной затратам на разогрев плазмы. Никакие другие установки похвастать подобным достижениями пока не могут.

Вторым распространенным типом термоядерного реактора является стелларатор. В нем магнитное поле для удержания плазмы создается только внешними источниками. Такие устройства имеют более сложную конструкцию по сравнению с токамаками, и стоят они дороже, но поведение плазмы в стеллараторах более спокойное и предсказуемое, что очень важно для коммерческого использования технологии.

Самый большой в мире реактор-стелларатор Wendelstein 7-X. Его строили почти 15 лет

Импульсные или инерциальные системы работают совсем по другому принципу. Если в токамаках и стеллараторах до огромных температур нагревается плазма сравнительно небольшой концентрации, то в инерциальных устройствах она сжимается до огромной плотности с помощью лазерного излучения или потока частиц. Подобная схема выглядит весьма заманчиво, но на практике все не так просто.

Первые попытки создать инерциальное устройство относятся к 60-м годам прошлого века. Первоначально из термоядерного топлива формировали небольшой шарик, который облучали множеством мощных лазерных лучей. Однако оказалось, что сфера нагревается неравномерно и слабо. Чтобы решить эти проблемы, мишень стали заключать в особый контейнер с отверстиями, через которые проникают лазерные лучи. Излучение поглощается специальными кристаллами, что превращают поступающее излучение в ультрафиолетовое. Прогрессу инерциального метода способствовала концепция «быстрого поджига», предполагающая использование двух лазерных импульсов: один сжимает топливную капсулу, другой – разогревает ее.

Почему до сих пор не получилось

Существует так называемый критерий Лоусона, позволяющий оценить, возможен ли синтез в определенном реакторе с использованием того или иного топлива. Чтобы запустить реакцию, необходимо обеспечить оптимальную плотность плазмы, разогреть ее до достаточно высоких температур, максимально уменьшив при этом потери энергии. Например, в дейтерий-тритиевой плазме при температуре в 110 млн градусов, произведение числа частиц в кубическом сантиметре на время их удержания (в секундах) должно быть не менее 1014.

Схема устройства токамака

Однако плазма – весьма беспокойная субстанция. Она не любит, когда ее удерживают, и постоянно стремится выйти из-под контроля. С этой проблемой физики столкнулись еще в 60-е годы. Чтобы хотя бы частично решить ее, потребовалось значительно усложнить конструкцию реактора.

Мы до сих пор не слишком хорошо понимаем, что такое плазма. Ученые не знают, как в ней происходит перенос тепла и удерживается энергия. Не существует общепринятой теории, которая бы смогла объяснить процессы, происходящие в этой загадочной субстанции.

Второй серьезной проблемой является потеря энергии. Плазма, как и любое другое нагретое тело, начинает излучать в электромагнитном диапазоне, стремительно при этом остывая. Чтобы поддерживать температуру на довольно высоком уровне, приходится постоянно вкачивать огромное количество энергии.

Кроме глобальных физических, перед инженерами встало множество чисто прикладных вопросов. В результате идея управляемого синтеза, которая в моделях выглядела многообещающе, оказалась очень сложной для реализации. Например, в серьезную проблему превратилась обычная пыль. Она проникает в вакуумные камеры реакторов и поглощает заметную часть ядерного топлива.

Состояние системы, при котором в ходе реакции синтеза выделяется столько же энергии, сколько затрачено на ее запуск и поддержку, обозначается литерой Q. Для самоподдерживающей реакции без внешнего подогрева коэффициент должен быть равен 5, и этот показатель до сих пор не достигнут. Для получения стабильной плазмы, пригодной для коммерческих установок, нужны гораздо  большие значения. Например, на ITER планируют достигнуть Q ~ 30.

Справедливости ради следует отметить, что огромные средства, выделяемые физикам на протяжении десятилетий, потрачены не впустую. Параметры современных реакторов всего лишь в несколько раз хуже необходимых для достижения устойчивой термоядерной реакции. Несколько десятилетий назад отставание было на порядки.

Достоинства термоядерной энергетики

Энтузиазм вокруг термоядерной энергии, наблюдавшийся в 60-е и 70-е годы, давно прошел. Теперь сами ученые нехотя признают, что в ближайшее десятилетие работающий термоядерный реактор мы, скорее всего, не увидим. Несмотря на это, попытки «зажечь» искусственное солнце не прекращаются. Выгоды, которые несет укрощение этой технологии, легко объясняют подобную настойчивость.

Колоссальная энергоэффективность

Чтобы понять, какие «пряники» может дать человечеству термоядерная энергия, нужно сравнить ее с обычным ископаемым горючим. Сжигание одного грамма угля дает 34 тыс. джоулей, газа или нефти — 44 тыс. джоулей, древесины — всего 7 тыс. джоулей. При слиянии ядер дейтерия и трития выделяется 17,6 мегаэлектронвольт энергии, что в пересчете на один грамм составляет 170 млрд джоулей тепла. Это количество равняется общемировому потреблению за 14 минут.

Еще один прототип термоядерной установки. Ученые пытаются получить плазму, пропустив через смесь дейтерия и тритий огромный по мощности электрический заряд

Термоядерный синтез – самый эффективный из известных на сегодня способов получения энергии, включая даже обычные ядерные реакторы. Из одного килограмма исходной смеси, в термоядерном реакторе можно получить в три раза больше энергии, чем в ядерном. В 86 г дейтерий-тритиевой смеси находится столько же энергии, как в 1 тыс. тонн высококачественного угля.

Запасы ископаемого топлива не бесконечны. В один «прекрасный» момент мы полностью исчерпаем месторождения угля, нефти и природного газа. Сырье для термоядерного синтеза можно получать буквально из воды. Теоретически управляемый синтез способен открыть человечеству новую эпоху практически бесплатной энергии, кардинально изменив мировую экономику и повседневную жизнь людей.

Безвредность

Сжигание нефти, угля и газа наносит серьезный вред окружающей среде и способствует изменениям климата. Долгое время их альтернативой считался «мирный атом», однако, атомные станции имеют очевидные недостатки. Во время работы они действительно практически не вредят экологии, но аварии на подобных объектах приводят к катастрофическим последствиям колоссальных масштабов. Чернобыль и Фукусима – наглядное тому подтверждение.

Для работы АЭС необходимы сотни килограммов ядерного топлива, которое дает примерно такое же количество высокорадиоактивных отходов с периодом полураспада в тысячи лет. Перерабатывать их мы не умеем до сих пор. Данный фактор важен не только для безопасности – перевозка и утилизация отходов весьма затратны.

Масса топлива, необходимая для работы термоядерного реактора, измеряется граммами, а отходами «производства» являются безвредные вещества типа водорода или гелия. Да, для дейтерий-тритиевой реакции необходим радиоактивный тритий, но вес его будет мизерным.

Безопасность

Термоядерный реактор никогда не взорвется: процессы, проходящие в нем, не являются самоподдерживающимися. В самой его конструкции заложены механизмы, препятствующие распространению радиоактивных веществ. Например, камера, в которой происходит реакция, должна быть герметичной, иначе система просто не будет работать.

Российский лазерный термоядерный реактор, установленный в Сарове

Управляемый синтез не может быть источником материалов для производства оружия массового поражения. Хотя это и кажется не особенно важным, но данный фактор сыграл серьезную роль в развитии и распространении ядерной энергетики. Кто не верит, может спросить у Ирана и Северной Кореи. Невозможность военного использования и отсутствие радиоактивных материалов уменьшает уязвимость термоядерных реакторов для террористической угрозы.

Недостатки технологии

Недостатки термоядерной энергетики, как и ее достоинства – вещь довольно условная. Пока не существует работающего прототипа реактора, и точно неизвестно, каким именно он будет. Однако некоторые «подводные камни» технологии хорошо видны уже сегодня.

Стоимость

Ядерный синтез изначально представлялся как способ дешевого получения энергии, но сегодня это утверждение все чаще поддается критике. Существующие устройства для удержания плазмы – это фантастически сложные конструкции весом в десятки тонн, с сотнями сверхпроводящих магнитов и замысловатой системой охлаждения жидким гелием. Их цена может достигать десятков миллиардов долларов. Примером может служить все тот же ITER, на который первоначально планировали потратить 5 млрд евро. Сегодня разработчики не уверены, что вложатся в сумму 20 миллиардов.

Согласно результатам исследования, проведенного по заказу британского парламента, себестоимость термоядерной энергии будет не ниже, чем при использовании самых дорогих видов традиционного топлива. На самом деле, вопрос является открытым: мы не знаем, по какой именно схеме и на каком топливе будут работать реакторы будущего.

Топливо

Вероятно, что первые реакторы будут работать на дейтерий-тритиевой смеси: другие варианты сейчас выглядят малореалистичными. С дейтерием проблем нет – его можно получать из обычной воды, а вот тритий придется нарабатывать в специальных реакторах, и стоит такое удовольствие недешево.

В 2010 году производство килограмма этого вещества обходилось в 30 млн долларов. Конечно, есть практически «дармовая» дейтерий-дейтериевая реакция, но она протекает значительно сложнее. Кроме того, в ходе вышеуказанных взаимодействий возникает колоссальный поток нейтронов, облучающий конструкцию реактора и делающий его радиоактивным. Куда интереснее выглядит использование «безнейтронного» гелия-3, но осуществить взаимодействие с его участием мы пока не можем даже теоретически. К тому же за этим изотопом придется лететь на Луну, а то и на Юпитер, что выглядит абсолютной фантастикой.

Радиоактивность

Ядерный синтез обычно позиционируется как абсолютно чистый способ получения энергии, но это не совсем так. Действительно, при слиянии ядер не образуется килограммов токсичных отходов, но есть другая беда – наведенная радиация. Она возникает при воздействии нейтронов на конструкцию реакторов. Согласно некоторым оценкам, в постоянно работающих термоядерных установках радиация  будет в сто раз интенсивнее, чем в реакторах существующих атомных станций. Как решать эту проблему – непонятно: либо необходимо разрабатывать новые материалы, устойчивые к воздействию нейтронного облучения, либо элементы конструкций придется постоянно менять. Правда, в последнем случае неизбежно встанет вопрос о рентабельности подобных проектов. Еще можно добавить, что усложнение конструкции термоядерных реакторов дошло до такого уровня, что превратилось в фундаментальную проблему для их проектирования, создания и контроля качества.

Наиболее значимые проекты

Самым известным и продвинутым проектом в области термоядерного синтеза является ITER, что расшифровывается как International Thermonuclear Experimental Reactor. Его смело можно назвать уникальным: по размерам и технической сложности этот реактор превзойдет все построенное человечеством ранее, включая знаменитый Большой адронный коллайдер. Уже завершены подготовительные работы, и сейчас ведется строительство. Объект расположен на юге Франции, неподалеку от Марселя. Реактор выполнен по схеме «токамак».

ИТЭР

ИТЭР — это, вероятно, самый сложный проект в истории человечества

ИТЭР должен продемонстрировать практическую возможность термоядерного синтеза. Он не будет вырабатывать электричество: такая возможность просто не заложена в проекте.

Реактор ITER — по-настоящему монструозное сооружение массой в 400 тыс. т с мощнейшей магнитной системой, специальным роботизированным манипулятором, способным поднимать пятидесятитонные грузы, и сложнейшей системой отвода тепла. Энергопотребление объекта – 600 Мвт, что сопоставимо с потребностями небольшого города. Для охлаждения установки будет построен специальный завод по производству жидкого гелия.

Проект настолько масштабен, что для его реализации понадобились совместные усилия ЕС, США, России, Японии и Южной Кореи. Зажечь дейтерий-тритиевую плазму планируют в 2027 году, если, конечно, сроки опять не сдвинутся. Планируется, что в этом реакторе удастся добиться десятикратного (Q=10) превышения выделенной энергии над затраченной.

Прототипом первой коммерческой термоядерной электростанции станет DEMO, запуск первой очереди которой назначен на 2048 год.

JET (Joint European Torus)

JET — один из самых больших действующих термоядерных реакторов

Это крупнейший в мире действующий термоядерный реактор, предназначенный для изучения процессов, протекающих в высокотемпературной плазме. Установка выполнена по схеме токамак, объем плазмы составляет 100 куб. метров. JET был введен в строй в 1984 году.

За более чем тридцать лет эксплуатации, на этом реакторе был установлен ряд мировых рекордов. Впервые была достигнута температура плазмы в 150 млн градусов и мощность в 16 Мвт с энергоэффективностью Q ~ 0,7.

EAST

Китайский токамак, введенный в эксплуатацию в 2006 году. На его счету несколько серьезных достижений. В 2016 году в течение 102 секунд удалось удержать плазму, разогретую до температуры 5×107 К. А в конце прошлого года EAST достиг отметки в 100 млн градусов. Данный эксперимент получил громкое название «искусственное солнце Китая».

Китайский реактор EAST. Пекин вкладывает серьезные деньги в термоядерную энергетику

Частные проекты

В последние годы в данной области все активнее участвует частный капитал. Небольшие компании и стартапы считают, что справятся с «термоядерными» проблемами быстрее и эффективнее, чем огромные и забюрократизированные государственные структуры. Все вышеперечисленные проекты направлены исключительно на решение исследовательских задач, бизнес же интересует в первую очередь практическая реализация технологии.

Например, американская компания Commonwealth Fusion Systems (CFS) совместно с учеными из Массачусетского технологического института занимается разработкой токамака Sparc. В финансировании проекта принимает участие фонд Breakthrough Energy Ventures под руководством Билла Гейтса, Джеффа Безоса, Майкла Блумберга. Еще одним спонсором является итальянский энергетический гигант Eni.

Основная задача разработчиков – создание компактного термоядерного реактора, который можно было бы установить на заводе или фабрике. Для этого в установке будет использована технология высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), которая позволяет получать магнитное поле большой напряженности. Она была открыта в 1987 году, поэтому «не успела» на ITER. С помощью ВТСП ученые планируют добиться Q = 13,6, хотя сама установка в 65 раз меньше ИТЭРа.

Еще более амбициозные планы ставит перед собой компания Lockheed Martin. В 2015 году представители компании объявили о прорыве в области управляемого синтеза, и грозятся уже к 2020 году представить миру прототип работающего термоядерного реактора мощностью в 100 мегаватт. Причем он будет не просто компактным, а крошечным – всего два на три метра. Такое устройство легко разместится не только на производственных площадках, но и на кораблях и даже самолетах. Если оно, конечно, существует.

Американская компания Lockheed Martin обещает показать прототип своего революционного реактора уже в следующем году

О конструкции революционного реактора мы знаем немного: известно, что плазма удерживается с помощью магнитных зеркал с использованием высокотемпературных сверхпроводников. Работой устройства будет управлять квантовый компьютер D-Wave, купленный компанией несколько лет назад за 12 млн долларов. Такие продвинутые «мозги» позволят системе оперативно реагировать на любые изменения характеристик плазмы. Правда, специалисты относятся к заявлениям Lockheed Martin довольно скептически: слишком уж нереально выглядят характеристики их устройства.

Не менее интересным проектом является термоядерная установка Machine 3, разработкой которой занимается компания FirstLight Fusion в кооперации с Оксфордским университетом. Устройство способно генерировать колоссальный электрический заряд напряжением в 200 тыс. вольт с силой тока в 14 тыс. ампер. С его помощью разработчики планируют добиться устойчивой термоядерной реакции. Запуск Machine 3 намечен на конец 2019 года.

Американский стартап TAE Technologies обещает начать коммерческие поставки термоядерных реакторов через пять лет. Причем не обычных дейтерий-тритиевых, а работающих на смеси водород + бор-11. Это «безнейтронная» реакция, в ходе которой получается безвредный гелий. Более того, электричество в установках можно будет получать прямо из потока заряженных частиц, без теплоносителя и турбин. Хотелось бы в это верить, но…

Вместо резюме

Термоядерный двигатель позволит человечеству приступить к освоению Солнечной системы. На химических движках далеко не улетишь…

История управляемого синтеза — яркий пример переоценки собственных возможностей. Теоретическая наука блестяще справилась со своей частью задачи, не только отработав саму идею нового способа получения энергии, но просчитав несколько вариантов его реализации. А инженеры, материаловеды и управленцы так и не сумели воплотить ее «в металле». Более того, они даже не смогли оценить всю сложность задачи. Полвека исследований в данной области позволяют нам сделать важные и не слишком утешительные выводы.

Термоядерная энергетика вовсе не является кристально чистой. Единственная доступная сегодня реакция D+T дает такой поток нейтронного излучения, что корпуса реакторов придется менять раз в 5-10 лет. Вероятно, что в ближайшие 10-15 лет мы достигнем показателя Q=20, получив таким образом стабильную термоядерную плазму. Скорее всего, этот рубеж будет преодолен на реакторе ИТЕРа. Однако вряд ли это будет окончательной победой и укрощением «строптивого» термояда. Уже сейчас очевидно, что монструозные проекты типа ITER – это тупиковый путь, малопригодный для практического использования. Гигаватные реакторы подобной конструкции фантастически сложны, они стоят гораздо дороже обычных урановых, а тритий для реакции D + T очень дорог и дефицитен.

«Безнейтронные» реакции синтеза пока для нас недоступны, так что организовывать лунную добычу гелия-3 нет никакого смысла.

Несмотря на вышесказанное, работы в области термоядерного синтеза будут продолжены. Возможно, что в ближайшие годы нас ожидают новые открытия в области сверхпроводников или мы лучше научимся понимать природу плазмы. В этом случае можно будет говорить о коммерческом использовании управляемого синтеза. Может быть, разработку будущих термоядерных реакторов поручат искусственному интеллекту, что обеспечит настоящий прорыв в этой области.

Ну и чтобы не заканчивать на совсем уж минорной ноте отметим, что управляемый термоядерный синтез подарит человечеству космос. Использование данного источника энергии позволит разгонять космические аппараты примерно до 10% от скорости света. Мы, наконец-то, сможем приступить к освоению Солнечной системы. Путешествия к другим планетам будут занимать недели, в крайнем случае, месяцы. Возможна даже отправка экспедиций к ближайшим звездным системам. Нужно только построить компактный и мощный термоядерный космический двигатель.

Если у вас возникли вопросы — оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них

С друзьями поделились:

militaryarms.ru

ITER как прекрасный пример недостатков в добыче энергии из термоядерного синтеза

Год назад я критиковал термоядерный синтез как источник энергии в статье «Термоядерные реакторы: не такие, какие должны были быть». Статья вызвала большой интерес, и меня попросили написать продолжение, чтобы продолжить обсуждение темы с читателями журнала Bulletin. Но сначала, небольшое резюме для тех, кто только что к нам присоединился.

Я физик, исследователь, 25 лет работавший над экспериментами с ядерным синтезом в Лаборатории физики плазмы в Принстоне, Нью-Джерси. Меня интересовали исследования в области физики плазмы и производстве нейтронов, связанном с исследованиями и разработкой ядерной энергии. Теперь я на пенсии, и могу взглянуть на всю эту область бесстрастно, и мне кажется, что коммерческий термоядерный реактор привнесёт больше проблем, чем сможет решить.

Поэтому я чувствую, что должен развеять всякие сенсации, появившиеся вокруг темы термоядерной энергии, которую часто называют «идеальным» источником энергии, и представляют, как волшебное решение мировых энергетических проблем. В прошлогодней статье доказывалось, что все постоянно рекламируемые возможности этой идеальной энергии (обычно это «нескончаемая, дешёвая, чистая, безопасная, свободная от радиации») разбиваются о жестокую реальность, и что термоядерный реактор на самом деле приближается к противоположности идеи об идеальном источнике энергии. Но в той статье в основном обсуждались недостатки концептуальных термоядерных реакторов, и сторонники этой идеи продолжают настаивать на том, что эти недочёты когда-нибудь как-нибудь будут исправлены.

Однако сейчас мы уже подошли к той точке, в которой мы впервые можем исследовать прототип термоядерной электростанции в реальном мире: Международный экспериментальный термоядерный реактор (Thermonuclear Experimental Reactor, ITER), который сейчас строят в Кадараше на юге Франции. И хотя до его запуска ещё остаются годы, проект ITER достаточно продвинулся для того, чтобы его можно было изучить как проверочный случай бубликовой схемы, известной, как токамак – наиболее многообещающий подход к получению термоядерной энергии на Земле на основе магнитной ловушки. В декабре 2017 года руководство проекта ITER объявило об окончании 50% задач по строительству. Эта важная веха позволяет надеяться на завершение этого проекта, единственной установки на Земле, хотя бы отдалённо напоминающей практический термоядерный реактор. Как писала The New York Times, эта установка «строится, чтобы проверить давнюю мечту: что ядерный синтез, атомную реакцию, проходящую в Солнце и в водородных бомбах, можно контролировать и добывать из неё энергию».

Физики плазмы относятся к ITER как к первой магнитной ловушке, которая в принципе будет способна продемонстрировать «горящую плазму», в которой разогрев альфа-частицами, появляющимися в ядерных реакциях, станет основным способом поддержки температуры плазмы. Такие условия требуют, чтобы термоядерная энергия была как минимум в пять раз больше внешней разогревающей плазму энергии. И хотя эту энергию не будут превращать в электричество, проект ITER в основном считается критическим шагом по дороге к созданию практической термоядерной электростанции – именно этим заявлением мы и займёмся.

Давайте посмотрим, какие выводы можно сделать из неисправимых недостатков термоядерных реакторов, изучив проект ITER, концентрируясь на четырёх областях: потребление электричества, потери тритиевого топлива, активация нейтронов и потребность в охлаждающей воде. Физическая схема этого проекта стоимостью в $20-30 млрд показана на фото ниже.

Ошибочный девиз

На сайте ITER посетителя встречают заявлением «Неограниченная энергия» – боевым кличем энтузиастов термоядерной энергии всего мира. Ирония этого лозунга проходит мимо участников проекта и публики. Но все, кто следил за строительством проекта последние пять лет – а за ним легко следить по фотографиям и описаниям на сайте проекта – были бы удивлены огромным количеством потраченной на него энергии.

Сайт, по сути, похваляется этой вложенной энергией, рекламируя каждую из подсистем ITER как самую большую систему данного вида. К примеру криостат, холодильник на жидком гелии, является самым большим вакуумным контейнером из нержавеющей стали в мире, а сам токамак будет весить как три Эйфелевых башни. Общий вес основной установки ITER составит 400 000 тонн, из которых самыми тяжёлыми будут основание и здания весом 340 000 тонн и сам токамак весом 23 000 тонн.

Но этим надо не восторгаться, а ужасаться, поскольку «самый большой» означает большое вложение капиталов и энергии, которое должно оказаться на стороне «кредит» энергетического гроссбуха. И большая часть этой энергии была получена из ископаемого топлива, что оставило невероятно огромный «углеродный отпечаток» на подготовке для строительства и самом строительстве всех подсобных зданий и непосредственно реактора.

На месте строительства реактора машины, работающие на ископаемом топливе, роют огромные объёмы земли на глубину в 20 м, изготавливают и заливают бесчисленные тонны цемента. Крупнейшие грузовики мира (работающие на ископаемом топливе) перевозят огромные компоненты реактора на место строительства. Ископаемое топливо сжигается при раскопке, перевозке и обработке материалов, необходимых для изготовления компонентов термоядерного реактора.

Можно поинтересоваться, сколько из потраченной на это энергии удастся вернуть – но вернуть её, конечно, не получится. Но материализация этих невероятных трат энергии – лишь первый компонент иронии, связанной с «неограниченной энергией».

Рядом с этими зданиями на площади в 4 гектара находится электростанция с массивными подстанциями, передающими до 600 МВт электричества из местной электрической сети – этого достаточно для питания города средней величины. Эта энергия потребуется для поддержки рабочих нужд ITER; никакая энергия никогда не пойдёт наружу, поскольку конструкция ITER не предусматривает превращения термоядерной энергии в электричество. Вспомните, что ITER – это проверочная аппаратура, она только продемонстрирует работоспособность концепции имитации внутренней части Солнца и соединения атомов под контролем; ITER не предназначается для генерации электричества.

Наличие электрической подстанции говорит об огромных энергетических затратах на работу проекта ITER – и вообще любой установки для синтеза. Термоядерные реакторы – установки экспериментальные, и в них происходит два вида потребления электричества. Первый – необходимые вспомогательные системы, например, криостаты, вакуумные насосы, обогрев, вентиляция и кондиционирование зданий; эта энергия тратится всё время, даже когда плазма неактивна. В случае с ITER этот непрерываемый поток электричества находится в пределах 75-110 МВт, как писал Дж. С. Гаскон с соавторами в статье 2012 года для журнала Fusion Science & Technology, “Design and Key Features for the ITER Electrical Power Distribution”.

Второй вид потребления связан с самой плазмой и работает импульсно. Для ITER потребуется не менее 300 МВт на несколько десятков секунд для разогрева плазмы и установления её необходимых потоков. В 400-секундной рабочей фазе потребуется порядка 200 МВт для поддержки термоядерного горения и контроля за стабильностью плазмы.

Даже во время оставшихся восьми лет строительства электростанции потребление энергии будет находиться в районе 30 МВт – это ещё одна добавка к общей сумме трат, предшествующая будущим непрерываемым тратам энергии.

Однако большая часть информации об энергетических тратах – и особенности того, что ITER будет генерировать не электричество, а тепло – была утеряна, когда проект представляли общественности.

Правда об энергии

На сайте New Energy Times недавно выложили подробную статью «Миф об энергетическом умножении ITER», описывающую, как департамент по связям с общественностью этой установки распространил плохо сформулированную информацию и сбил с толку СМИ. Типичное распространяемое заявление выглядит как «ITER будет выдавать 500 МВт энергии, потребляя 50 МВт», из которого вроде бы следует, что оба числа описывают электрическую энергию.

Сайт чётко описывает, что эти 500 МВт выходной энергии относятся к энергии синтеза, содержащейся в нейтронах и альфа-частицах, и не имеют отношения к электричеству. А упомянутые 50 МВт относятся к энергии, передаваемой в плазму для поддержки её температуры и токов – и это лишь малая часть общего энергетического потребления реактора. Как упомянуто ранее, она варьируется от 300 до 400 МВт.

Критика New Energy Times технически правильна и привлекает внимание к колоссальным запросам электричества, предъявляемым любой термоядерной установкой. Всегда считалось известным, что для запуска любой термоядерной системы требуется огромная энергия. Но токамак-системы также требуют сотен мегаватт электрической энергии просто для работы.

Однако с рекламируемой работой ITER есть и более серьёзные проблемы, чем неправильное описание потребляемой и выделяемой энергии. С тем, что установка будет потреблять 300 МВт или более энергии, никто не спорит – основной вопрос в том, выдаст ли ITER 500 МВт хоть какой-то энергии. А этот вопрос касается жизненно важного тритиевого топлива – его поставок, желания его использовать и необходимых для оптимизации его использования действий. Среди других неверных представлений находится и реальная природа продукта синтеза.

Проблемы с тритием

Самым активным топливом для синтеза будет смесь из изотопов водорода, дейтерия и трития, в пропорции 50-50. Это топливо, которое часто записывают, как D-T, по выходу нейтронов в 100 раз больше превышает чистый дейтерий, но также превышает его и по радиоактивным последствиям.

Дейтерия достаточно много в обычной воде, но естественных залежей трития не бывает – период полураспада этого изотопа составляет всего 12,3 года. На сайте ITER утверждается, что тритиевое топливо проект будет брать из «мировых запасов трития». Эти запасы состоят из трития, извлечённого из тяжёлой воды ядерных реакторов CANDU, которые в основном расположены в Онтарио в Канаде, а ещё встречаются в Южной Корее. Также потенциально топливо можно получить из Румынии. Сегодняшние «мировые запасы» трития – это порядка 25 кг, и увеличиваются они примерно на полкило в год, как писали в статье от 2013 года под названием «Оценка запасов трития для ITER» в журнале Fusion Engineering and Design. Пика запасы трития должны достичь до 2030 года.

Хотя сторонники термояда радостно рассказывают о синтезе из дейтерия и трития, на самом деле они крайне бояться использовать тритий по двум причинам: во-первых, он радиоактивен, поэтому существуют проблемы безопасности, связанные с возможностью его выброса в окружающую среду. Во-вторых, при бомбардировке корпуса реактора нейтронами происходит неизбежное получение радиоактивных материалов, что требует усиления защиты, что, в свою очередь, серьёзно затрудняет доступ к реактору для его обслуживания и порождает проблемы, связанные с хранением радиоактивных отходов.

За 65 лет исследований в сотнях установок тритий использовали только две системы с магнитными ловушками: Tokamak Fusion Test Reactor в моей старой лаборатории плазмы в Принстоне, и Joint European Tokamak в районе деревни Калхэм, Великобритания.

Текущие планы ITER включают приобретение и потребление не менее 1 кг трития в год. Если предположить, что проекту удастся найти подходящий источник трития и набраться смелости для его использования, будет ли достигнута цель в 500 МВт энергии синтеза? Никто не знает.

«Первая плазма» в ITER должна произойти в 2025 году. За ней последуют неторопливые 10 лет продолжения сборки машин и периодических запусков плазмы при помощи водорода и гелия. Эти газы не выдают нейтронов, и потому позволят решить проблемы и провести оптимизацию работы плазмы с минимальной радиационной опасностью. Нестабильность плазмы нужно удерживать в рамках, и её будут разогревать и поддерживать при высокой температуре. Поэтому необходимо будет сократить приток атомов, отличных от водорода.

По графику ITER начнёт использовать дейтерий и тритий в конце 2030-х. Но нет никаких гарантий, что у него получится дойти до цели в 500 МВт; для генерации большого объёма термоядерной энергии, среди прочего, требуется выработать оптимальный рецепт вброса дейтерия и трития в виде замороженных шариков, поддерживать лучи из частиц, накачку газа и переработку отходов. Во время неизбежного метода проб и ошибок в начале 2040-х энергия синтеза на ITER скорее всего достигнет лишь малой доли 500 МВт, а весь использованный тритий будет утерян.

Анализ использования D-T на ITER говорит о том, что лишь 2% введённого трития сгорит, поэтому 98% трития выйдет невредимым. И хотя довольно большая часть трития будет просто выходить через выхлоп плазмы, много трития придётся постоянно собирать с поверхностей ёмкости реактора, лучевых инжекторов, насосных каналов и других устройств. Атомы трития, несколько раз проходя все эти круги ада, через плазму, вакуум, системы переработки и питания, частично окажутся в вечной ловушке в стенках реактора и его компонентов, а также в системе диагностики и разогрева плазмы.

Просачивание трития при высоких температурах во многие материалы до сих пор изучено плохо, как объясняли Р. А. Каузи и его соавторы в статье «Тритиевые барьеры и рассеивание трития в термоядерных реакторах». Возможно, просачивание небольшой части пойманного трития в стенки, а затем в каналы жидкого и газообразного охладителей не удастся избежать. Большая часть этого трития в итоге распадётся, но он неизбежно будет попадать в окружающую среду через циркулирующую воду, охлаждающую реактор.

Разработчики токамаков будущего обычно предполагают, что весь сгоревший тритий будет заменён благодаря поглощению нейтронов литием, окружающим плазму. Но и эта фантазия полностью игнорирует тот тритий, что будет потерян в различных частях подсистем реактора. ITER продемонстрирует, что накопления потерянного трития могут превзойти по объёму сожжённый и их можно будет заменить, только покупая дорогой тритий из ядерных реакторов.

Радиация и радиоактивные отходы термояда

Как было отмечено ранее, в ITER ожидается производство 500 МВт термоядерной, а не электрической, энергии. Но что сторонники термояда не говорят вам, так это что полученная термоядерная энергия будет не каким-нибудь там невинным излучением типа солнечного, а на 80% будет состоять из потоков высокоэнергетических нейтронов, основным итогом наличия которых будет только производство огромного количества радиоактивных отходов при бомбардировке стенок реактора и его компонентов.

Только 2% нейтронов будет перехвачено проверочными модулями, используемыми для изучения появления трития в литии, а 98% потоков нейтронов просто будут сталкиваться со стенками реактора или устройствами, там расположенными.

В ядерных реакторах не более 3% энергии распада переходит в нейтроны. Но ITER будет похож на какую-то бытовую технику, которая преобразует сотни мегаватт электричества в потоки нейтронов. Странная особенность реакторов на D-T состоит в том, что подавляющая часть тепловой энергии производится не в плазме, а внутри толстых стальных стенок реактора, рассеивающих энергию от столкновения с нейтронами. В принципе эту тепловую нейтронную энергию можно как-то превратить обратно в электричество, с очень низкой эффективностью, но при разработке проекта ITER эту проблему решили не решать. Эту задачу отложили до постройки так называемых «демонстрационных реакторов», которые сторонники термояда планируют построить во второй половине столетия.

Давно известной проблемой термоядерной энергии служит повреждение материалов, открытых нейтронному излучению, из-за чего они разбухают, делаются хрупкими и быстро изнашиваются. Но так получилось, что общее время работы ITER с высоким выходом нейтронов будет слишком малым для того, чтобы пострадала структура реактора, однако взаимодействия с нейтронами всё равно приведут к появлению опасной радиоактивности у компонентов реактора, в результате чего появится невообразимое количество радиоактивных отходов – 30 000 тонн.

Токамак в ITER будет окружать чудовищный бетонный цилиндр толщиной в 3,5 м, диаметром в 30 м и высотой в 30 м, называемый биощитом. Он будет защищать внешний мир от рентгеновского излучения, гамма-лучей и случайных нейтронов. Сосуд реактора и неструктурные компоненты как внутри, так и снаружи реактора, находящиеся внутри этого биощита, станут чрезвычайно радиоактивными из-за потоков нейтронов. Времени на обслуживание и ремонт будет требоваться больше, поскольку всё это обслуживание будет идти при помощи оборудования с удалённым управлением.

От гораздо более мелкого экспериментального проекта ДЖЭТ в Британии радиоактивных отходов ожидается порядка 3000 кубических метров, а стоимость вывода его из эксплуатации оценивается в $300 млн, согласно Financial Times. Но эти цифры меркнут перед 30 000 тоннами радиоактивных отходов ITER. К счастью, большая часть этой наведённой радиоактивности пропадёт за несколько десятилетий, но и по прошествии 100 лет порядка 6000 тонн отходов будут всё ещё опасными, и их нужно будет хранить в специальном хранилище, как указано в разделе «Отходы и вывод из эксплуатации» окончательной схемы ITER.

Периодическая транспортировка и хранение радиоактивных компонентов за пределами площадей проекта, а также итоговый вывод из эксплуатации всего реакторного комплекса – это затратные по энергии задачи, которые ещё сильнее повлияют на расходную часть энергетического гроссбуха.

Водный мир

Для отвода тепла от реактора ITER, систем разогрева плазмы, электрических систем токамака, криогенных холодильников и питания магнитов потребуются потоки воды. Если учитывать термоядерную реакцию, общая тепловая энергия может достигать 1000 МВт, но даже и без термоядерной реакции комплекс будет потреблять до 500 МВт энергии, которая в итоге всё равно превратится в тепло, подлежащее отводу. ITER продемонстрирует, что термоядерные энергии потребляют гораздо больше воды, чем любая другая энергетическая установка из-за огромных паразитных потреблений энергии, превращающихся в дополнительное тепло, которое необходимо отводит (под паразитными понимается поглощение той же энергии, которую производит сам реактор).

Вода для охлаждения будет браться из Прованского канала, отведённого от реки Дюранс, а большая часть тепла будет выделяться в атмосферу при помощи охлаждающих башен. Во время работы реактора суммарный поток охлаждающей воды составит 12 кубических метров в минуту – более трети потока в самом канале. Такой поток способен поддерживать функционирование города с миллионным населением (повседневная потребность ITER в воде будет гораздо меньше, поскольку импульсы мощности реактора будут длиться по 400 секунд количеством до 20 импульсов в день, а охлаждающая вода будет использоваться повторно).

И хотя ITER не производит ничего, кроме нейтронов, его максимальный поток охлаждающей жидкости всё равно составит почти половину потока реально работающей станции, сжигающей уголь или ядерное топливо, и выдающей по 1000 МВт электрической энергии. В ITER помпы, перекачивающие воду по 36 километрам труб системы охлаждения, будут потреблять 56 МВт энергии.

Такая крупная термоядерная станция, как ITER, может работать только в таких местах, как французский Кадараш, где существует доступ ко множеству мощных линий электропередач и к системе подачи воды. За прошедшие десятилетия изобилие пресной воды и неограниченная холодная вода из океана сделали возможным реализацию большого количества термоэлектрических станций гигаваттных мощностей. Учитывая уменьшение доступности пресной воды и даже холодной океанской воды, трудности с поставкой охлаждающей жидкости сами по себе сделают широкое применение термоядерных реакторов непрактичным.

Влияние ITER

Хорошо будет работать ITER или плохо, главным его наследием будет впечатляющий пример многолетней международной кооперации разных государств, как политически дружественных, так и настроенных довольно враждебно – совсем как у Международной космической станции. Критики утверждают, что международное сотрудничество сильно увеличило стоимость и длительность постройки проекта, но стоимость в $20-30 млрд не выходит за рамки крупных ядерных проектов – таких, например, как электростанции, строительство которых было разрешено в последние годы в США (Ви-Си Саммер и Вогтль) [новые блоки на Ви-Си Саммер должна была строить компания Westinghouse, но чрезмерное раздутие стоимости и сроков проекта, а также прочие проблемы, привели к банкротству компании; строительство блоков отменено. В декабре 2012 года во время транспортировки по железной дороге в США нового 300 тонного ядерного реактора для АЭС Вогтль, изготовленного в Южной Корее, платформа с ним серьезно накренилась, практически до земли. Тем не менее, реактор поврежден не был. / прим. перев.] и в Западной Европе (Хинкли и Фламанвиль) [чрезмерное удорожание проекта Хинкли поставили под вопрос его завершение; на действующей АЭС Фламанвиль за последние шесть лет произошло две аварии (без последствий для окружающей среды), а стоимость строительства нового блока выросла уже в три раза по сравнению с первоначальной, при этом строительство продолжается / прим. перев.], а также проект ядерного топлива МОХ в регионе США Саванна-Ривер [рядом с ядерным могильником / прим. перев.]. Все эти проекты испытали утроение стоимости постройки, а время возведения увеличивалось на года и даже десятилетия. Основная проблема в том, что все атомные электростанции – будь то синтез или распад – чрезвычайно сложны и непомерно дороги [строительство двух энергоблоков первой очереди Тяньваньской АЭС, которую «Росатом» строила для Китая, обошлось в $3 млрд и заняло 11 лет. Третий энергоблок был построен за 5 лет / прим. перев.].

Вторая неоценимая роль ITER будет заключаться в его влиянии на планирование энергогенерирующих систем. В случае успеха ITER позволит физикам изучать долгоживущую высокотемпературную синтезирующую плазму. Но в качестве прототипа электростанции ITER, очевидно, будет сеющим опустошение и разорение источником нейтронов, питаемым тритием, производимым в ядерных реакторах, потребляющим сотни мегаватт электричества из местной энергосети и требующим беспрецедентные объёмы воды для охлаждения. Повреждения из-за нейтронов усилятся, а остальные характеристики останутся такими же в любом последующем термоядерном реакторе, созданном в попытке генерировать достаточно электричества, чтобы превзойти собственные запросы.

Сталкиваясь с такой реальностью, даже энергетические планировщики с ярче всего горящими глазами могут захотеть отказаться от термоядерной энергии. Вместо провозглашения зари новой энергетической эры, ITER, скорее всего, будет играть роль, аналогичную быстрым реакторам-размножителям, чьи недостатки не дали появиться ещё одному мнимому источнику «безграничной энергии» и обеспечили доминирование реакторов на лёгкой воде [в России работают реакторы-размножители, а через два года будет построен новый уникальный реактор на быстрых нейтронах со свинцовым охлаждением / прим. перев.]

habr.com

Применение ядерной энергии: проблемы и перспективы

Повсеместное применение ядерной энергии началось благодаря научно-техническому прогрессу не только в военной области, но и в мирных целях. Сегодня нельзя обойтись без нее в промышленности, энергетике и медицине.

Вместе с тем, использование ядерной энергии имеет не только преимущества, но и недостатки. Прежде всего, это опасность радиации, как для человека, так и для окружающей среды.

Применение ядерной энергии развивается в двух направлениях: использование в энергетике и использование радиоактивных изотопов.

Изначально атомную энергию предполагалось использовать только в военных целях, и все разработки шли в этом направлении.

Использование ядерной энергии в военной сфере

Большое количество высокоактивных материалов используют для производства ядерного оружия. По оценкам экспертов, ядерные боеголовки содержат несколько тонн плутония.

Ядерное оружие относят к оружию массового поражения, потому что оно производит разрушения на огромных территориях.

По радиусу действия и мощности заряда ядерное оружие делится на:

• Тактическое.
• Оперативно-тактическое.
• Стратегическое.

Ядерные боеприпасы делят на атомные и водородные. В основу ядерного оружия положены неуправляемые цепные реакции деления тяжелых ядер и реакции термоядерного синтеза. Для цепной реакции используют уран либо плутоний.

Хранение такого большого количества опасных материалов – это большая угроза для человечества. А применение ядерной энергии в военных целях может привести к тяжелым последствиям.

Впервые ядерное оружие было применено в 1945 году для атаки на японские города Хиросима и Нагасаки. Последствия этой атаки были катастрофичными. Как известно, это было первое и последнее применение ядерной энергии в войне.

Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ)

МАГАТЭ создано в 1957 году с целью развития сотрудничества между странами в области использования атомной энергии в мирных целях. С самого начала агентство осуществляет программу «Ядерная безопасность и защита окружающей среды».

Но самая главная функция – это контроль за деятельностью стран в ядерной сфере. Организация контролирует, чтобы разработки и использование ядерной энергии происходили только в мирных целях.

Цель этой программы – обеспечивать безопасное использование ядерной энергии, защита человека и экологии от воздействия радиации. Также агентство занималось изучением последствий аварии на Чернобыльской АЭС.

Также агентство поддерживает изучение, развитие и применение ядерной энергии в мирных целях и выступает посредником при обмене услугами и материалами между членами агентства.

Вместе с ООН МАГАТЭ определяет и устанавливает нормы в области безопасности и охраны здоровья.

Атомная энергетика

Во второй половине сороковых годов двадцатого столетия советские ученые начали разрабатывать первые проекты мирного использования атома. Главным направлением этих разработок стала электроэнергетика.

И в 1954 году в СССР построили первую в мире атомную станцию. После этого программы быстрого роста атомной энергетики начали разрабатывать в США, Великобритании, ФРГ и Франции. Но большинство из них не были выполнены. Как оказалось, АЭС не смогла конкурировать со станциями, которые работают на угле, газе и мазуте.

Но после начала мирового энергетического кризиса и подорожания нефти спрос на атомную энергетику вырос. В 70-х годах прошлого столетия эксперты считали, что мощность всех АЭС сможет заменить половину электростанций.

В середине 80-х рост атомной энергетики снова замедлился, сраны начали пересматривать планы на сооружение новых АЭС. Этому способствовали как политика энергосбережения и снижение цены на нефть, так и катастрофа на Чернобыльской станции, которая имела негативные последствия не только для Украины.

После некоторые страны вообще прекратили сооружение и эксплуатацию атомных электростанций.

Атомная энергия для полетов в космос

В космос слетало более трех десятков ядерных реакторов, они использовались для получения энергии.

Впервые ядерный реактор в космосе применили американцы в 1965 году. В качестве топлива использовался уран-235. Проработал он 43 дня.

В Советском Союзе реактор «Ромашка» был запущен в Институте атомной энергии. Его предполагалось использовать на космических аппаратах вместе с плазменными двигателями. Но после всех испытаний он так и не был запущен в космос.

Следующая ядерная установка «Бук» была применена на спутнике радиолокационной разведки. Первый аппарат был запущен в 1970 году с космодрома Байконур.

Сегодня «Роскосмос» и «Росатом» предлагают сконструировать космический корабль, который будет оснащен ядерным ракетным двигателем и сможет добраться до Луны и Марса. Но пока что это все на стадии предложения.

Применение ядерной энергии в промышленности

Атомная энергия применяется для повышения чувствительности химического анализа и производства аммиака, водорода и других химических реагентов, которые используются для производства удобрений.

Ядерная энергия, применение которой в химической промышленности позволяет получать новые химические элементы, помогает воссоздавать процессы, которые происходят в земной коре.

Для опреснения соленых вод также применяется ядерная энергия. Применение в черной металлургии позволяет восстанавливать железо из железной руды. В цветной – применяется для производства алюминия.

Использование ядерной энергии в сельском хозяйстве

Применение ядерной энергии в сельском хозяйстве решает задачи селекции и помогает в борьбе с вредителями.

Ядерную энергию применяют для появления мутаций в семенах. Делается это для получения новых сортов, которые приносят больше урожая и устойчивы к болезням сельскохозяйственных культур. Так, больше половины пшеницы, выращиваемой в Италии для изготовления макарон, было выведено с помощью мутаций.

Также с помощью радиоизотопов определяют лучшие способы внесения удобрений. Например, с их помощью определили, что при выращивании риса можно уменьшить внесение азотных удобрений. Это не только сэкономило деньги, но и сохранило экологию.

Немного странное использование ядерной энергии – это облучение личинок насекомых. Делается это для того, чтобы выводить их безвредно для окружающей среды. В таком случае насекомые, появившееся из облученных личинок, не имеют потомства, но в остальных отношениях вполне нормальны.

Ядерная медицина

Медицина использует радиоактивные изотопы для постановки точного диагноза. Медицинские изотопы имеют малый период полураспада и не представляет особой опасности как для окружающих, так и для пациента.

Еще одно применение ядерной энергии в медицине было открыто совсем недавно. Это позитронно-эмиссионная томография. С ее помощью можно обнаружить рак на ранних стадиях.

Применение ядерной энергии на транспорте

В начале 50-х годов прошлого века были предприняты попытки создать танк на ядерной тяге. Разработки начались в США, но проект так и не был воплощен в жизнь. В основном из-за того, что в этих танках так и не смогли решить проблему экранирования экипажа.

Известная компания Ford трудилась над автомобилем, который бы работал на ядерной энергии. Но дальше макета производство такой машины не зашло.

Все дело в том, что ядерная установка занимала очень много места, и автомобиль получался очень габаритным. Компактные реакторы так и не появились, поэтому амбициозный проект свернули.

Наверное, самый известный транспорт, который работает на ядерной энергии – это различные суда как военного, так и гражданского назначения:

• Атомные ледоколы.
• Транспортные суда.
• Авианосцы.
• Подводные лодки.
• Крейсеры.
• Атомные подводные лодки.

Плюсы и минусы использования ядерной энергии

Сегодня доля ядерной энергетики в мировом производстве энергии составляет примерно 17 процентов. Хотя человечество использует органическое топливо, но его запасы не бесконечны.

Поэтому, как альтернативный вариант, используется ядерное топливо. Но процесс его получения и использования связан с большим риском для жизни и окружающей среды.

Конечно, постоянно совершенствуются ядерные реакторы, предпринимаются все возможные меры безопасности, но иногда этого недостаточно. Примером могут служить аварии на Чернобыльской атомной электростанции и Фукусиме.

С одной стороны, исправно работающий реактор не выбрасывает в окружающую среду никакой радиации, тогда как из тепловых электростанций в атмосферу попадает большое количество вредных веществ.

Самую большую опасность представляет отработанное топливо, его переработка и хранение. Потому что на сегодняшний день не изобретен полностью безопасный способ утилизации ядерных отходов.

fb.ru

Термоядерный синтез: энергия будущего

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.

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.

Слияние дейтерий — тритий
Wikimedia

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

Первое 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.

Французкий 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

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)

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.

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%.

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.

sci-news.ru

Ядерная (Атомная) энергия – Применение и использование энергии атомного ядра, ядерной реакции, источников энергии; Проблемы безопасности, развития и получения ядерной энергии, значение открытия и взрыв атомной бомбы. Плюсы и минусы, польза и вред ядерной энергетики на greensource.ru

20 11 2016      greenman       Пока нет комментариев  

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. 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.

greensource.ru