Лазерный термоядерный синтез. Управляемый термоядерный синтез

Инновационные проекты с использованием современных сверхпроводников в ближайшее время позволят осуществить управляемый термоядерный синтез - так утверждают некоторые оптимисты. Эксперты, однако, предсказывают, что практическое применение займет несколько десятилетий.

Почему так сложно?

Энергия термоядерного синтеза считается потенциальным источником Это чистая энергия атома. Но что же она собой представляет и почему ее так сложно добиться? Для начала следует разобраться с различием между классическим и термоядерным синтезом.

Деление атома состоит в том, что радиоактивные изотопы - уран или плутоний - расщепляются и превращаются в другие высокорадиоактивные изотопы, которые затем должны быть захоронены или переработаны.

Синтеза заключается в том, что два изотопа водорода - дейтерий и тритий - сливаются в единое целое, образуя неядовитый гелий и единственный нейтрон, не производя радиоактивных отходов.

Проблема контроля

Реакции, которые происходят на Солнце или в водородной бомбе, - это синтез термоядерный, и перед инженерами стоит грандиозная задача - как контролировать этот процесс на электростанции?

Это то, над чем ученые работают начиная с 1960-х годов. Очередной экспериментальный реактор термоядерного синтеза под названием Wendelstein 7-X начал работу в северном немецком городе Грайфсвальде. Пока еще он не предназначен для создания реакции - это просто особая конструкция, которая проходит испытания (стелларатор вместо токамака).

Высокоэнергетичная плазма

Все термоядерные установки обладают общей чертой - кольцеобразной формой. В ее основе лежит идея использования мощных электромагнитов для создания сильного электромагнитного поля, имеющего форму тора - надутой велосипедной камеры.

Это электромагнитное поле должно быть настолько плотным, что, когда оно нагревается в микроволновой печи до одного миллиона градусов по Цельсию, в самом центре кольца должна появиться плазма. Затем она зажигается, чтобы синтез термоядерный мог начаться.

Демонстрация возможностей

В Европе в настоящее время проводится два подобных эксперимента. Одним из них является Wendelstein 7-X, который недавно сгенерировал свою первую гелиевую плазму. Другой - ITER - огромная экспериментальная установка термоядерного синтеза на юге Франции, которая все еще находится в стадии строительства и будет готова к запуску в 2023 году.

Предполагается, что на ITER будут происходить настоящие ядерные реакции, правда, лишь в течение короткого периода времени и уж точно не дольше 60 минут. Этот реактор является лишь одним из многих шагов на пути к тому, чтобы на практике осуществить ядерный синтез.

Термоядерный реактор: меньше и мощнее

Недавно несколько конструкторов объявили о создании нового дизайна реактора. По словам группы студентов из Массачусетского технологического института, а также представителей компании - производителя вооружений «Локхид Мартин», термоядерный синтез можно осуществить в установках, которые гораздо мощнее и меньше, чем ITER, и они готовы сделать это в течение десяти лет.

Идея новой конструкции заключается в использовании в электромагнитах современных высокотемпературных сверхпроводников, которые проявляют свои свойства при охлаждении жидким азотом, а не обычных, для которых необходим Новая, более гибкая технология позволит полностью изменить конструкцию реактора.

Клаус Хеш, отвечающий за технологии в Технологическом институте Карлсруэ на юго-западе Германии, настроен скептически. Он поддерживает использование новых высокотемпературных сверхпроводников для новых конструкций реакторов. Но, по его словам, что-то разработать на компьютере с учетом законов физики недостаточно. Необходимо принять во внимание вызовы, которые возникают при воплощении идеи на практике.

Научная фантастика

По словам Хеша, модель студентов MIT показывает лишь возможность осуществления проекта. Но на самом деле в ней много научной фантастики. Проект предполагает, что серьезные технические проблемы термоядерного синтеза решены. Но современная наука не имеет ни малейшего представления о том, как их решить.

Одной из таких проблем является идея разборных катушек. Для того чтобы попасть внутрь кольца, удерживающего плазму, в модели MIT-дизайна электромагниты могут быть разобраны.

Это было бы очень полезно, потому что можно бы было иметь доступ к объектам во внутренней системе и заменять их. Но в действительности сверхпроводники выполнены из керамического материала. Сотни их должны быть переплетены изощренным способом, чтобы сформировать правильное магнитное поле. И здесь возникают более фундаментальные трудности: соединения между ними не так просты, как соединения медных кабелей. Никто еще даже не задумывался о концепциях, которые бы помогли решить подобные проблемы.

Слишком горячо

Высокая температура также представляет собой проблему. В сердцевине термоядерной плазмы температура достигнет около 150 миллионов градусов по Цельсию. Эта экстремальная жара остается на месте - прямо в центре ионизированного газа. Но даже вокруг нее все еще очень жарко - от 500 до 700 градусов в зоне реактора, являющейся внутренним слоем металлической трубы, в которой будет «воспроизводиться» тритий, необходимый для того, чтобы происходил ядерный синтез.

Имеет еще большую проблему - так называемый выпуск мощности. Это часть системы, в которую из процесса синтеза поступает использованное топливо, в основном гелий. Первые металлические компоненты, в которые попадает горячий газ, называются «дивертор». Он может нагреваться свыше 2000 °C.

Проблема дивертора

Чтобы установка могла выдерживать такие температуры, инженеры пытаются использовать металлический вольфрам, применяемый в старомодных лампах накаливания. Температура плавления вольфрама около 3000 градусов. Но есть и другие ограничения.

В ITER это можно сделать, потому что нагрев в ней происходит не постоянно. Предполагается, что реактор будет работать лишь 1-3 % времени. Но это не вариант для электростанции, которая должна работать в режиме 24/7. И, если кто-то утверждает, что способен построить меньший реактор с такой же мощностью, как ITER, можно уверенно сказать, что у него нет решения проблемы дивертора.

Электростанция через несколько десятилетий

Тем не менее ученые с оптимизмом смотрят на развитие термоядерных реакторов, правда, оно будет не таким быстрым, как предсказывают некоторые энтузиасты.

ITER должен показать, что управляемый термоядерный синтез на самом деле может произвести больше энергии, чем будет затрачено на нагрев плазмы. Следующим шагом будет строительство совершенно новой гибридной демонстрационной электростанции, которая бы на самом деле вырабатывала электроэнергию.

Инженеры уже сейчас работают над ее дизайном. Они должны будут извлечь уроки из ITER, запуск которой запланирован на 2023 г. Принимая во внимание время, необходимое для проектирования, планирования и строительства, кажется маловероятным, что первая термоядерная электростанция будет запущена намного раньше середины XXI века.

Холодный термоядерный синтез Росси

В 2014 году независимый тест реактора E-Cat пришел к выводу, что устройство в течение 32 дней в среднем производило 2800 Вт выходной мощности при потреблении 900 Вт. Это больше, чем способна выделить любая химическая реакция. Результат говорит либо о прорыве в термоядерном синтезе, либо об откровенном мошенничестве. Отчет разочаровал скептиков, которые сомневаются в том, была ли проверка действительно независимой и предполагают возможную фальсификацию результатов тестирования. Другие занялись выяснением «секретных ингредиентов», которые позволяют осуществить термоядерный синтез Росси, чтобы воспроизвести эту технологию.

Росси - мошенник?

Андреа импозантен. Он издает воззвания к миру на уникальном английском в разделе комментариев своего веб-сайта, претенциозно названного «Журнал ядерной физики». Но его предыдущие неудачные попытки включали итальянский проект превращения мусора в топливо и термоэлектрический генератор. Petroldragon, проект переработки отходов в источник энергии, не удался отчасти потому, что нелегальное захоронение отходов контролируется итальянской организованной преступностью, которая возбудила против него уголовное дело о нарушении правил обращения с отходами. Также он создал термоэлектрическое устройство для Инженерного корпуса сухопутных войск США, но во время тестирования гаджет произвел лишь часть заявленной мощности.

Многие не доверяют Росси, а главный редактор New Energy Times прямо назвал его уголовником, за плечами которого череда неудачных энергетических прожектов.

Независимая проверка

Росси заключил контракт с американской компанией Industrial Heat на проведение годичных секретных испытаний 1-МВт установки холодного термоядерного синтеза. Устройство представляло собой транспортировочный контейнер, упакованный десятками E-Cat. Эксперимент должен был контролироваться третьей стороной, которая бы могла подтвердить, что действительно имеет место генерация тепла. Росси утверждает, что провел большую часть прошлого года, практически живя в контейнере, и наблюдал за операциями в течение более 16 ч в сутки, чтобы доказать коммерческую жизнеспособность E-Cat.

Тест завершился в марте. Сторонники Росси с нетерпением ждали отчета наблюдателей, надеясь на оправдание своего героя. Но в итоге они получили судебный процесс.

Судебное разбирательство

В своем заявлении в суд Флориды Росси утверждает, что тест прошел успешно и независимый арбитр подтвердил, что реактор E-Cat производит в шесть раз больше энергии, чем потребляет. Он также утверждал, что компания Industrial Heat согласилась заплатить ему 100 млн долларов США - 11,5 млн авансом после 24-часового испытания (якобы за права лицензирования, чтобы компания могла продавать эту технологию в США) и еще 89 млн после успешного завершения расширенного испытания в течение 350 дней. Росси обвинял IH в проведении «мошеннической схемы», целью которой была кража его интеллектуальной собственности. Он также обвинил компанию в незаконном присвоении реакторов E-Cat, незаконном копировании инновационных технологий и продуктов, функциональных возможностей и конструкций и неправомерной попытке получить патент на его интеллектуальную собственность.

Золотая жила

В другом месте Росси утверждает, что на фоне одной из его демонстраций компания IH получила от инвесторов 50-60 млн долларов и еще 200 млн от Китая после воспроизведения с участием китайских должностных лиц высшего уровня. Если это правда, то на кону намного больше ста миллионов долларов. Industrial Heat отвергла эти претензии как безосновательные и собирается активно защищаться. Что еще более важно, она утверждает, что «в течение более трех лет работала над подтверждением результатов, которых якобы добился Росси со своей E-Cat-технологией, и все безуспешно».

IH не верит в работоспособность E-Cat, и журнал New Energy Times не видит причин, чтобы в этом сомневаться. В июне 2011 года представитель издания посещал Италию, взял интервью у Росси и заснял демонстрацию его E-Cat. Через сутки он сообщил о своих серьезных опасениях относительно способа измерения тепловой мощности. Через 6 дней журналист выложил свое видео на YouTube. Эксперты со всего мира присылали ему анализы, которые были опубликованы в июле. Стало ясно, что это был обман.

Экспериментальное подтверждение

Тем не менее ряду исследователей - Александру Пархомову из Российского университета дружбы народов и Проекту памяти Мартина Флейшмана (MFPM) - удалось воспроизвести холодный термоядерный синтез Росси. Отчет MFPM назывался «Конец углеродной эры близок». Причиной такого восхищения стало обнаружение которое невозможно объяснить иначе, как термоядерной реакцией. По мнению исследователей, у Росси есть именно то, о чем он говорит.

Жизнеспособный открытый рецепт холодного ядерного синтеза способен вызвать энергетическую «золотую лихорадку». Могут быть найдены альтернативные методы, которые позволят обойти патенты Росси и оставить его в стороне от многомиллиардного энергетического бизнеса.

Так что, возможно, Росси предпочел бы избежать этого подтверждения.

термоядерный синтез, реакция слияния легких атомных ядер в более тяжелые ядра, происходящая при сверхвысокой температуре и сопровождающаяся выделением огромных количеств энергии. Ядерный синтез – это реакция, обратная делению атомов: в последней энергия выделяется за счет расщепления тяжелых ядер на более легкие. См. также ЯДЕР ДЕЛЕНИЕ; АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА.

Согласно современным астрофизическим представлениям, основным источником энергии Солнца и других звезд является происходящий в их недрах термоядерный синтез. В земных условиях он осуществляется при взрыве водородной бомбы. Термоядерный синтез сопровождается колоссальным энерговыделением на единицу массы реагирующих веществ (примерно в 10 миллионов раз большим, чем в химических реакциях). Поэтому представляет большой интерес овладеть этим процессом и на его основе создать дешевый и экологически чистый источник энергии. Однако несмотря на то, что исследованиями управляемого термоядерного синтеза (УТС) заняты большие научно-технические коллективы во многих развитых странах, предстоит решить еще немало сложных проблем, прежде чем промышленное производство термоядерной энергии станет реальностью.

Современные атомные станции, использующие процесс деления, лишь отчасти удовлетворяют мировые потребности в электроэнергии. Топливом для них служат естественные радиоактивные элементы уран и торий, распространенность и запасы которых в природе весьма ограничены; поэтому для многих стран возникает проблема их импорта. Главным компонентом термоядерного топлива является изотоп водорода дейтерий, который содержится в морской воде. Запасы его общедоступны и очень велики (мировой океан покрывает ~ 71% площади поверхности Земли, а на долю дейтерия приходится ок. 0,016% общего числа атомов водорода, входящих в состав воды). Помимо доступности топлива, термоядерные источники энергии имеют следующие важные преимущества перед атомными станциями: 1) реактор УТС содержит гораздо меньше радиоактивных материалов, чем атомный реактор деления, и поэтому последствия случайного выброса радиоактивных продуктов менее опасны; 2) при термоядерных реакциях образуется меньше долгоживущих радиоактивных отходов; 3) УТС допускает прямое получение электроэнергии.

Арцимович Л.А. Управляемые термоядерные реакции . М., 1963
Тепловые и атомные электрические станции (кн. 1, разд. 6; кн. 3, разд. 8). М., 1989

Найти "ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ " на

• Перевод

Эта область называется теперь низкоэнергетическими ядерными реакциями, и в ней могут быть достигнуты настоящие результаты – или же она может оказаться упрямой мусорной наукой

Доктор Мартин Флейшман (справа), электрохимик, и Стэнли Понс, председатель химического отдела Университета Юты, отвечают на вопросы комитета по науке и технологиям по поводу их спорной работы в области холодного синтеза, 26 апреля 1989 года.

Говард Дж. Уилк – химик, специалист по синтетической органике, уже долгое время не работает по специальности и живёт в Филадельфии. Как и многие другие исследователи, работавшие в фармацевтической области, он стал жертвой сокращения НИОКР в лекарственной индустрии, происходящего в последние годы, и сейчас занимается подработками, не связанными с наукой. Обладая свободным временем, Уилк отслеживает прогресс компании из Нью-Джерси, Brilliant Light Power (BLP).

Это одна из тех компаний, что разрабатывают процессы, которые можно в общем обозначить как новые технологии добычи энергии. Это движение, по большей части, является воскрешением холодного синтеза – недолго существовавшего в 1980-х явления, связанного с получением ядерного синтеза в простом настольном электролитическом устройстве, которое учёные быстро отмели.

В 1991 году основатель BLP, Рэнделл Л. Миллс , объявил на пресс-конференции в Ланкастере (Пенсильвания) о разработке теории, по которой электрон в водороде может переходить из обычного, основного энергетического состояния, в ранее неизвестные, более устойчивые состояния с более низкой энергией, с высвобождением огромного количества энергии. Миллс назвал этот странный новый тип сжавшегося водорода, " " , и с тех пор работает над разработкой коммерческого устройства, собирающего эту энергию.

Уилк изучил теорию Миллса, прочёл работы и патенты, и провёл свои собственные вычисления для гидрино. Уилк даже посетил демонстрацию на территории BLP в Крэнбюри, Нью-Джерси, где обсудил гидрино с Миллсом. После этого Уилк всё ещё не может решить, является ли Миллс нереальным гением, бредящим учёным, или чем-то средним.

История началась в 1989 году, когда электрохимики Мартин Флейшман и Стэнли Понс сделали удивительное заявление на пресс-конференции Университета Юты о том, что они приручили энергию ядерного синтеза в электролитической ячейке.

Когда исследователи подавали электрический ток на ячейку, по их мнению, атомы дейтерия из тяжёлой воды, проникшие в палладиевый катод, вступали в реакцию синтеза и порождали атомы гелия. Избыточная энергия процесса превращалась в тепло. Флейшман и Понс утверждали, что этот процесс не может быть результатом ни одной известной химической реакции, и присовокупили к нему термин «холодный синтез».

После многих месяцев расследования их загадочных наблюдений, однако, научное сообщество пришло к соглашению о том, что эффект был нестабильным, или вообще отсутствовал, и что в эксперименте были допущены ошибки. Исследование забраковали, а холодный синтез стал синонимом мусорной науки.

Холодный синтез и производство гидрино – это святой Грааль для добычи бесконечной, дешёвой и экологически чистой энергии. Учёных холодный синтез разочаровал. Они хотели в него поверить, но их коллективный разум решил, что это было ошибкой. Частью проблемы было отсутствие общепринятой теории для объяснения предложенного явления – как говорят физики, нельзя верить эксперименту, пока он не подтверждён теорией.

У Миллса есть своя теория, но многие учёные не верят ей и считают гидрино маловероятным. Сообщество отвергло холодный синтез и игнорировало Миллса и его работу. Миллс поступал так же, стараясь не попадать в тень холодного синтеза.

А в это время область холодного синтеза поменяла имя на низкоэнергетические ядерные реакции (НЭЯР) , и существует дальше. Некоторые учёные продолжают попытки объяснить эффект Флейшмана-Понса. Другие отвергли ядерный синтез, но исследуют другие возможные процессы, способные объяснить избыточное тепло. Как и Миллс, их привлекли потенциальные возможности коммерческого применения. В основном их интересует добыча энергии для индустриальных нужд, домашних хозяйств и транспорта.

У небольшого числа компаний, созданных в попытках вывести новые энергетические технологии на рынок, бизнес-модели похожи на модели любого технологического стартапа: определить новую технологию, попытаться запатентовать идею, вызвать интерес инвесторов, получить финансирование, построить прототипы, провести демонстрацию, объявить даты поступления рабочих устройств в продажу. Но в новом энергетическом мире нарушение сроков – это норма. Никто пока ещё не совершил последнего шага с демонстрацией рабочего устройства.

Новая теория

Принято считать, что единственный электрон водорода шныряет вокруг его ядра, находясь на наиболее приемлемой орбите основного состояния. Просто невозможно придвинуть электрон водорода ближе к ядру. Но Миллс утверждает, что это возможно.

Сейчас он работает исследователем в Airbus Defence & Space, и говорит, что не отслеживал деятельность Миллса с 2007 года, поскольку в экспериментах не наблюдалось однозначных признаков избыточной энергии. «Сомневаюсь, что какие-либо более поздние эксперименты прошли научный отбор», сказал Ратке.

«Думаю, что в целом признано, что теория доктора Миллса, выдвинутая им в качестве основы его заявлений, противоречива и не способна выдавать предсказания,- продолжает Ратке. – Можно было бы спросить, "Могли ли мы так удачно наткнуться на источник энергии, который просто работает, следуя неверному теоретическому подходу?" ».

В 1990-х несколько исследователей, включая команду из Исследовательского центра Льюиса, независимо друг от друга сообщили о воспроизведении подхода Миллса и получении избыточного тепла. Команда НАСА в отчёте написала, что «результаты далеки от убедительных», и ничего не говорила про гидрино.

Исследователи предлагали возможные электрохимические процессы для объяснения тепла, включая неравномерность электрохимической ячейки, неизвестные экзотермические химические реакции, рекомбинацию разделённых атомов водорода и кислорода в воде. Те же аргументы приводили и критики экспериментов Флейшмана-Понса. Но команда из НАСА уточнила, что исследователи не должны отбрасывать это явление, просто на случай, если Миллс на что-то наткнулся.

Миллс очень быстро говорит, и способен вечно рассказывать о технических деталях. Кроме предсказания гидрино, Миллс утверждает, что его теория может идеально предсказать местоположение любого электрона в молекуле, используя специальный софт для моделирования молекул, и даже в таких сложных молекулах, как ДНК. С использованием стандартной квантовой теории учёным тяжело предсказать точное поведение чего-либо более сложного, чем атом водорода. Также Миллс утверждает, что его теория объясняет явление расширения Вселенной с ускорением, которое космологи ещё не до конца раскусили.

Кроме того, Миллс говорит, что гидрино появляются при сжигании водорода в звёздах, таких, как наше Солнце, и что их можно обнаружить в спектре звёздного света. Водород считается самым распространённым элементом во вселенной, но Миллс утверждает, что гидрино – это и есть тёмная материя, которую не могут найти во Вселенной. Астрофизики с удивлением воспринимают такие предположения: «Я никогда не слышал о гидрино», говорит Эдвард Колб [Edward W. (Rocky) Kolb ] из Чикагского университета, эксперт по тёмной вселенной .

Миллс сообщил об успешной изоляции и описании гидрино при помощи стандартных спектроскопических методов, таких, как инфракрасный, рамановский, и спектроскопия ядерно-магнитного резонанса. Кроме того, по его словам, гидрино могут вступать в реакции, приводящие к появлению новых типов материалов с «удивительными свойствами». Сюда входят проводники, которые, по словам Миллса, произведут революцию в мире электронных устройств и аккумуляторов.

И хотя его заявления противоречат общественному мнению, идеи Миллса кажутся не такими экзотическими по сравнению с другими необычными компонентами Вселенной. К примеру, мюоний – известная короткоживущая экзотическая сущность, состоящая из антимюона (положительно заряженной частицы, похожей на электрон) и электрона. Химически мюоний ведёт себя как изотоп водорода, но при этом в девять раз его легче.

SunCell, гидриновая топливная ячейка

Подход BLP к созданию гидрино проявлялся по-разному. В ранних прототипах Миллс с командой использовали вольфрам или никелевые электроды с электролитическим раствором лития или калия. Подводимый ток расщеплял воду на водород и кислород, и при нужных условиях литий или калий играли роль катализатора для поглощения энергии и коллапса электронной орбиты водорода. Энергия, возникающая при переходе из основного атомного состояния в состояние с более низкой энергией, выделялась в виде яркой высокотемпературной плазмы. Связанное с ней тепло затем использовалось для создания пара и питания электрогенератора.

Сейчас в BLP тестируют устройство SunCell , в котором водород (из воды) и оксид-катализатор подаются в сферический углеродный реактор с двумя потоками расплавленного серебра. Электрический ток, подаваемый на серебро, запускает плазменную реакцию с формированием гидрино. Энергия реактора улавливается углеродом, работающим в качестве «радиатора чёрного тела». Когда он раскаляется до тысяч градусов, то испускает энергию в виде видимого света, улавливаемого фотовольтаическими ячейками, преобразующими свет в электричество.

Касательно коммерческих разработок Миллс иногда выглядит, как параноик, а иногда – как практичный бизнесмен. Он зарегистрировал торговую марку «Hydrino». И поскольку его патенты заявляют об изобретении гидрино, BLP заявляют об интеллектуальной собственности на исследования гидрино. В связи с этим BLP запрещает другим экспериментаторам проводить даже базовые исследования гидрино, которые могут подтвердить или опровергнуть их существование, без предварительного подписания соглашения об интеллектуальной собственности. «Мы приглашаем исследователей, мы хотим, чтобы другие занимались этим,- говорит Миллс. – Но нам необходимо защищать нашу технологию».

Вместо этого Миллс назначил уполномоченных валидаторов, утверждающих, что могут подтвердить работоспособность изобретений BLP. Один из них – электротехник из Бакнеллского университета, профессор Питер М. Дженсон [Peter M. Jansson ], которому платят за оценку технологии BLP через его консалтинговую компанию Integrated Systems. Дженсон утверждает, что компенсация его времени «никаким образом не влияет на мои выводы как независимого исследователя научных открытий». Он добавляет, что «опроверг большую часть открытий», которые он изучал.

«Учёные из BLP занимаются настоящей наукой, и пока я не нашёл никаких ошибок в их методах и подходах,- говорит Дженсон. – С годами я видел много устройств в BLP, явно способных производить избыточную энергию в осмысленных количествах. Думаю, что научной общественности понадобится некоторое время для того, чтобы принять и переварить возможность существования низкоэнергетических состояний водорода. По моему мнению, работа доктора Миллса неоспорима». Дженсон добавляет, что BLP сталкивается со сложностями в коммерческом применении технологии, но препятствия носят деловой, а не научный характер.

А пока BLP провела несколько демонстраций своих новых прототипов для инвесторов с 2014 года, и опубликовала видеоролики на своём сайте. Но эти события не дают чётких доказательств того, что SunCell действительно работает.

В июле, после одной из демонстраций, компания объявила, что оценочная стоимость энергии из SunCell настолько мала – от 1% до 10% любой другой известной формы энергии – что компания «собирается предоставить автономные индивидуальные источники питания практически для всех стационарных и мобильных приложений, не привязанных к энергосети или топливным источникам энергии». Иначе говоря, компания планирует построить и выдавать в лизинг SunCells или другие устройства потребителям, взимая ежедневную плату, и позволяя им отвязываться от энергосетей и перестать покупать бензин или соляру, при этом расходуя в разы меньше денег.

«Это конец эры огня, двигателя внутреннего сгорания и централизованных систем подачи энергии,- говорит Миллс. – Наша технология сделает все остальные виды энергетических технологий устаревшими. Проблемы изменения климата будут решены». Он добавляет, что, судя по всему, BLP может начать выпуск продукции, для начала станций мощностью в МВт, к концу 2017 года.

Что в имени?

Многие из этих учёных и инженеров, часто работавших на собственные средства, интересовались не столько коммерческими возможностями, сколько наукой: электрохимией, металлургией, калориметрией, масс-спектрометрией, и ядерной диагностикой. Они продолжали ставить эксперименты, выдававшие избыточное тепло, определяемое как количество энергии, выдаваемое системой, по отношению к энергии, необходимой для её работы. В некоторых случаях сообщалось о ядерных аномалиях, таких, как появлении нейтрино, α-частиц (ядер гелия), изотопах атомов и трансмутациях одних элементов в другие.

Но в конечном итоге большинство исследователей ищут объяснение происходящему, и были бы счастливы, даже если бы скромное количество тепла оказалось бы полезным.

«НЭЯР находятся в экспериментальной фазе, и теоретически пока не поняты», говорит Дэвид Нагель [David J. Nagel ], профессор по электротехнике и информатике в Университете им. Джорджа Вашингтона, и бывший менеджер по исследованиям в Исследовательской лаборатории морфлота. «Некоторые результаты просто необъяснимы. Назовите это холодным синтезом, низкоэнергетическими ядерными реакциями, или как-то ещё – имён достаточно – мы всё равно ничего не знаем об этом. Но нет сомнений, что ядерные реакции можно запускать при помощи химической энергии».

Нагель предпочитает называть явление НЭЯР «решёточными ядерными реакциями», поскольку явление происходит в кристаллических решётках электрода. Изначальное ответвление этой области концентрируется на внедрении дейтерия в палладиевый электрод при помощи подачи большой энергии, поясняет Нагель. Исследователи сообщали, что такие электрохимические системы могут выдавать вплоть до 25 раз больше энергии, чем потребляют.

Другое основное ответвление области использует сочетания никеля и водорода, которое выдаёт до 400 раз больше энергии, чем потребляет. Нагель любит сравнивать эти НЭЯР-технологии с экспериментальным международным термоядерным реактором , основанным на хорошо известной физике – слиянии дейтерия и трития – который строят на юге Франции. Стоимость этого 20-летнего проекта составляет $20 млрд, и его цель в производстве энергии, превышающей потребляемую в 10 раз.

Нагель говорит, что область НЭЯР повсеместно растёт, и главные препятствия – это недостаток финансирования и нестабильные результаты. К примеру, некоторые исследователи сообщают, что для запуска реакции необходимо достичь некоего порогового значения. Она может потребовать минимального количества дейтерия или водорода для запуска, или же электроды необходимо подготовить, придав им кристаллографическую ориентацию и поверхностную морфологию. Последнее требование – обычное для гетерогенных катализаторов, используемых при очистке бензина и на нефтехимических производствах.

Нагель признаёт, что у коммерческой стороны НЭЯР тоже есть проблемы. Разрабатываемые прототипы, по его словам, «довольно грубые», и пока ещё не появилось компании, продемонстрировавшей работающий прототип или заработавшей на этом деньги.

E-Cat от Росси

Росси утверждает, что в его E-Cat происходит самоподдерживающийся процесс, в котором входящий электрический ток запускает синтез водорода и лития в присутствии порошковой смеси никеля, лития и алюмогидрида лития, в результате которого появляется изотоп бериллия. Короткоживущий бериллий распадается на две α-частицы, а избыточная энергия выделяется в виде тепла. Часть никеля превращается в медь. Росси говорит об отсутствии как отходов так и излучения вне аппарата.

Анонс Росси вызвал у учёных то же неприятное чувство, что и холодный синтез. Росси вызывает у многих людей недоверие из-за своего спорного прошлого. В Италии его обвинили в мошенничестве из-за его предыдущих деловых махинаций. Росси говорит, что эти обвинения остались в прошлом и не хочет обсуждать их. Также у него однажды был контракт на создание тепловых установок для ВС США, но поставленные им устройства не работали по спецификациям.

В 2012 году Росси объявил о создании системы мощностью в 1 МВт, пригодной для отопления больших зданий. Также он предполагал, что к 2013 году у него уже будет фабрика, ежегодно производящая миллион установок мощностью в 10 кВт и размером с ноутбук, предназначенных для домашнего использования. Но ни фабрики, ни этих устройств так и не случилось.

В 2014 году Росси продал технологию по лицензии компании Industrial Heat, открытой инвестиционной конторой Cherokee , занимающейся покупкой недвижимости и очищающей старые промзоны для новой застройки. В 2015 году генеральный директор Cherokee, Том Дарден , по образованию юрист и специалист по окружающей среде, назвал Industrial Heat «источником финансирования для изобретателей НЭЯР».

Дарден говорит, что Cherokee запустила Industrial Heat, поскольку в инвестиционной компании верят, что технология НЭЯР достойна исследований. «Мы были готовы ошибаться, мы готовы были вложить время и ресурсы, чтобы узнать, может ли эта область оказаться полезной в нашей миссии по предотвращению загрязнения [окружающей среды]», говорит он.

А в это время Industrial Heat и Leonardo поругались, и теперь судятся друг с другом по поводу нарушений соглашения. Росси получил бы $100 млн, если бы годовой тест его системы мощностью в 1 МВт оказался успешным. Росси говорит, что тест закончен, но в Industrial Heat так не считают, и опасаются, что устройство не работает.

Нагель говорит, что E-Cat привнёс в область НЭЯР энтузиазм и надежду. В 2012 году он утверждал, что, по его мнению, Росси не был мошенником, «но мне не нравятся некоторые его подходы к тестированию». Нагель считал, что Росси должен был действовать более аккуратно и прозрачно. Но в то время Нагель сам считал, что устройства на принципе НЭЯР появятся в продаже к 2013 году.

Росси продолжает исследования и объявил о разработках других прототипов. Но он мало что рассказывает о своей работе. Он говорит, что устройства мощностью в 1 МВт уже находятся в производстве, и он получил «необходимые сертификаты» для их продажи. Домашние устройства, по его словам, пока ещё ожидают сертификации.

Нагель говорит, что после спада радостного настроения, связанного с объявлениями Росси, к НЭЯР вернулся статус-кво. Доступность коммерческих генераторов НЭЯР отодвинулась на несколько лет. И даже если устройство выдержит проблемы воспроизводимости и будет полезным, его разработчикам предстоит жестокая битва с регуляторами и принятием его пользователями.

Но он сохраняет оптимизм. «НЭЯР могут стать коммерчески доступными ещё до их полного понимания, как было с рентгеном», говорит он. Он уже оборудовал лабораторию в Университете им. Джорджа Вашингтона для новых экспериментов с никелем и водородом.

Научные наследия

«Очень неудачно вышло, когда холодный синтез впервые был опубликован в 1989 году как новый источник энергии синтеза, а не просто как некая новая научная диковина», говорит электрохимик Мелвин Майлс . «Возможно, исследования могли бы идти как обычно, с более аккуратным и точным изучением».

Бывший исследователь в Центре воздушно-морских исследований на базе Чайна Лейк, Майлс иногда работал с Флейшманом, умершим в 2012 году. Майлс считает, что Флейшман и Понс были правы. Но и сегодня он не знает, как можно сделать коммерческий источник энергии для системы из палладия и дейтерия, несмотря на множество экспериментов, в ходе которых было получено избыточное тепло, коррелирующее с получением гелия.

«Зачем кто-то будет продолжать исследования или интересоваться темой, которую 27 лет назад объявили ошибкой? – спрашивает Майлс. – Я убеждён, что холодный синтез когда-нибудь признают ещё одним важным открытием, которое долго принимали, и появится теоретическая платформа, объясняющая результаты экспериментов».

Ядерный физик Людвик Ковальский, почётный профессор из Монтклэрского государственного университета соглашается, что холодный синтез стал жертвой неудачного старта. «Я достаточно стар, чтобы помнить эффект, произведённый первым объявлением на научное сообщество и на общественность», говорит Ковальский. Временами он сотрудничал с исследователями НЭЯР, «но мои три попытки подтвердить сенсационные заявления были неудачными».

Ковальский считает, что первый позор, заработанный исследованием, вылился в бОльшую проблему, неподобающую для научного метода . Справедливы или нет исследователи НЭЯР, Ковальский всё ещё считает, что стоит докопаться до чёткого вердикта «да» или «нет». Но его не найти до тех пор, пока исследователей холодного синтеза считают «эксцентричными псевдоучёными», говорит Ковальский. «Прогресс невозможен, и никто не выигрывает от того, что результаты честных исследований не публикуются, и никто не проверяет их независимо в других лабораториях».

Время покажет

Возьмём, к примеру, Sun Catalytix. Компания вышла из MIT при поддержке твёрдой науки, но пала жертвой коммерческих атак до того, как вышла на рынок. Она была создана для коммерциализации искусственного фотосинтеза, разработанного химиком Дэниелом Носерой [Daniel G. Nocera ], работающим ныне в Гарварде, для эффективного преобразования воды в водородное топливо при помощи солнечного света и недорогого катализатора.

Носера мечтал , что полученный таким образом водород сможет питать простые топливные ячейки и давать энергию домам и деревням в отсталых регионах мира, не имеющих доступа к энергосетям, и давая им возможность наслаждаться современными удобствами, улучшающими уровень жизни. Но на разработку потребовалось гораздо больше денег и времени, чем казалось сначала. Через четыре года Sun Catalytix бросила попытки коммерциализации технологии, занялась изготовлением потоковых батарей , и потом в 2014 году её купила Lockheed Martin.

Неизвестно, тормозят ли развитие компаний, занимающихся НЭЯР, такие же препятствия. К примеру, Уилк, органический химик, следивший за прогрессом Миллса, озабочен желанием понять, основаны ли попытки коммерциализации BLP на чем-то реальном. Ему просто нужно знать, существует ли гидрино.

В 2014 Уилк спросил Миллса, изолировал ли тот гидрино, и хотя Миллс уже писал в работах и патентах, что ему это удалось, он ответил, что такого ещё не было, и что это было бы «очень большой задачей». Но Уилку кажется иное. Если процесс создаёт литры гидринного газа, это должно быть очевидным. «Покажите нам гидрино!», требует Уилк.

Уилк говорит, что мир Миллса, и вместе с ним мир других людей, занимающихся НЭЯР, напоминает ему один из парадоксов Зенона, который говорит об иллюзорности движения. «Каждый год они преодолевают половину расстояния до коммерциализации, но доберутся ли они до неё когда-нибудь?». Уилк придумал четыре объяснения для BLP: расчёты Миллса верны; это мошенничество; это плохая наука; это патологическая наука, как называл её нобелевский лауреат по физике Ирвинг Ленгмюр.

Ленгмюр изобрёл этот термин более 50 лет назад для описания психологического процесса, в котором учёный подсознательно отдаляется от научного метода и так погружается в своё занятие, что вырабатывает невозможность объективно смотреть на вещи и видеть, что реально, а что нет. Патологическая наука – это «наука о вещах, не таких, какими они кажутся», говорил Ленгмюр. В некоторых случаях она развивается в таких областях, как холодный синтез/НЭЯР, и никак не сдаётся, несмотря на то, что признаётся ложной большинством учёных.

«Надеюсь, что они правы», говорит Уилк про Миллса и BLP. «В самом деле. Я не хочу их опровергать, я просто ищу истину». Но если бы «свиньи умели летать», как говорит Уилкс, он бы принял их данные, теорию и другие предсказания, следующие из неё. Но он никогда не был верующим. «Думаю, если бы гидрино существовали, их бы обнаружили в других лабораториях или в природе много лет назад».

Все обсуждения холодного синтеза и НЭЯР заканчиваются именно так: они всегда приходят к тому, что никто не выпустил на рынок работающего устройства, и ни один из прототипов в ближайшем будущем нельзя будет поставить на коммерческие рельсы. Так что время будет последним судьёй.

Теги:

• холодный синтез
• нэяр
• низкоэнергетические ядерные реакции
• suncell
• росси
• e-cat

Авария на японской станции Фукусима во второй раз продемонстрировала всему миру опасность атомной энергетики. В странах Европы прошли демонстрации против использования атомных станций. И все же, нет оснований считать, что АЭС больше не будут строиться. Жители Земли потребляют все больше и больше энергии. Для некоторых регионов, где запасы природного угля, нефти и газа минимальны, атомная энергия необходима. К сожалению, альтернативные источники энергии, такие как энергия солнечного света, ветра, волн и т.д. не способны принципиально заменить огромное количество потребляемой человечеством энергии (16 ТВт). Их доля в мировом производстве энергии пока составляет всего 0,5%.

Между тем, современный мир стоит перед очень серьезным энергетическим кризисом. Проблема связана с тем, что по всем серьезным прогнозам запасы ископаемых горючих веществ могут иссякнуть уже во второй половине текущего столетия. Более того, сжигание ископаемых топлив может привести к необходимости каким-то образом связывать и «сохранять» выпускаемый в атмосферу углекислый газ (программа CCS) для предотвращения серьезных изменений в климате планеты.

Сейчас крайне необходим новый мощный источник энергии. Настало время прорыва. Иначе человечество может само себя уничтожить в борьбе за оставшиеся под землей запасы нефти и газа.

Самой серьезной альтернативой современным источникам энергии ученые считают управляемый термоядерный синтез.

Ядерный синтез, являющийся основой существования Солнца и звезд, потенциально представляет собой неистощимый источник энергии для развития вселенной вообще.

Эксперименты, проводимые в Великобритании в рамках программы Joint European Torus (JET), являющейся одной из ведущих исследовательских программ в мире, показывают, что ядерный синтез может обеспечить не только текущие энергетические потребности человечества, но и гораздо большее количество энергии.

Пример термоядерной реакции — дейтерий + тритий

Два ядра: дейтерия и трития сливаются, с образованием ядра гелия (альфа-частица) и высокоэнергетического нейтрона.

Именно эту реакцию предполагается использовать в будущих термоядерных реакторах. Но осуществить эту реакцию и сделать ее управляемой очень сложно. Для инициирования (зажигания) реакции синтеза необходимо нагреть газ из смеси дейтерия и трития до температуры выше 100 миллионов градусов Цельсия, что примерно в десять раз выше температуры в центре Солнца. При этой температуре наиболее «энергетические» дейтроны и тритоны (ядра дейтерия и трития) сближаются при столкновениях на столь близкие расстояния, что между ними начинают действовать мощные ядерные силы, заставляющие их сливаться друг с другом в единое целое.

Осуществление процесса ядерного синтеза в лаборатории связано с очень сложными проблемами. Для решения задачи нагрева и удержания газовой смеси ядер D и T были придуманы «магнитные бутылки», получившие название «Токамак» , которые предотвращают взаимодействие плазмы со стенками реактора. Началом современной эпохи в изучении возможностей термоядерного синтеза следует считать 1969 год, когда на российской установке Токамак Т3 в плазме объемом около 1 м 3 была достигнута температура 3 10 6 °C. После этого ученые во всем мире признали конструкцию токамака наиболее перспективной для магнитного удержания плазмы. Уже через несколько лет было принято смелое решение о создании установки JET (Joint European Torus) со значительно большим объемом плазмы (~100 м 3). Эта установка начала работать в 1983 году и остается пока крупнейшим в мире токамаком, обеспечивающим нагрев плазмы до температуры 150 10 6 °C.

В настоящее время во Франции начинается строительство международного экспериментального термоядерного реактора ITER. Расшифровывается аббревиатура как International Tokamak Experimental Reactor, но в настоящее время название ITER официально не считается аббревиатурой, а связывается с латинским словом iter — путь.

На рисунке - проект строительства реактора ITER в местечке Кадараш, Франция

Задачи, стоящие на пути создания термоядерных реакторов и преимущества ядерной энергетики очень подробно и доступно для понимания были изложены в лекции «На пути к термоядерной энергетике», прочитанной председателем Совета ITER Кристофером Ллуэллин-Смитом в ФИАНе. (http:///elementy.ru/lib/430807)

ITER должен стать первой крупномасштабной энергетической установкой, рассчитанной на длительную эксплуатацию. Проблемы и сложности эксплуатации такой установки связаны, прежде всего, с тем, что мощный поток высокоэнергетических нейтронов и выделяющаяся энергия (в виде электромагнитного излучения и частиц плазмы) серьезно воздействуют на реактор и разрушают материалы, из которых он создан. Вторая основная проблема состоит в обеспечении высокой прочности конструкционных материалов реактора при длительной (в течение нескольких лет) бомбардировке нейтронами и под воздействием потока тепла. Третья и, возможно, самая главная проблема состоит в обеспечении высокой надежности работы. Таким образом, проектирование и постройка термоядерных станций требуют от физиков и инженеров решения целого ряда разнообразных и очень сложных технологических задач.

Однако, несмотря на все сложности, проблема стоит того, чтобы ей заниматься самым серьезным образом. Основное преимущество ядерного синтеза состоит в том, что в качестве топлива для него требуется лишь очень небольшое количество весьма распространенных в природе веществ. Реакция ядерного синтеза в описываемых установках может приводить к выделению огромного количества энергии, в десять миллионов раз превышающего стандартное тепловыделение при обычных химических реакциях (типа сжигания ископаемого топлива). Например, количество угля, необходимого для обеспечения работы тепловой электростанции мощностью 1 ГВт составляет 10 000 тонн в день (десять железнодорожных вагонов), а термоядерная установка такой же мощности будет потреблять в день лишь около 1 килограмма смеси D+T.

Дейтерий является устойчивым изотопом водорода. Примерно в одной из каждых 3350 молекул обычной воды один из атомов водорода замещен дейтерием (наследие, доставшееся нам от Большого Взрыва). Этот факт позволяет легко организовать достаточно дешевое получение необходимого количества дейтерия из воды. Более сложным является получение трития, который является нестабильным (период полураспада около 12 лет, вследствие чего его содержание в природе ничтожно), однако, тритий будет возникать прямо внутри термоядерной установки в процессе работы, за счет реакции нейтронов с литием.

Таким образом, исходным топливом для термоядерного реактора являются литий и вода. Литий представляет собой обычный металл, широко используемый в бытовых приборах (в батарейках для мобильных телефонов и т. п.). Описанная выше установка, даже с учетом неидеальной эффективности, сможет производить 200 000 кВт/час электрической энергии, что эквивалентно энергии, содержащейся в 70 тоннах угля. Требуемое для этого количество лития содержится в одной батарейке, а количество дейтерия — в 45 литрах воды. Указанная выше величина соответствует современному потреблению электроэнергии (в пересчете на одного человека) в странах ЕС за 30 лет. Сам факт, что столь ничтожное количество лития может обеспечить выработку такого количества электроэнергии (без выбросов CO 2 и без малейшего загрязнения атмосферы), является достаточно серьезным аргументом для быстрейшего и энергичного развития термоядерной энергетики (несмотря на все сложности и проблемы) и даже без стопроцентой уверенности в успехе таких исследований.

Дейтерия должно хватить на миллионы лет, а запасы легко добываемого лития вполне достаточны для обеспечения потребностей в течение сотен лет. Даже если запасы лития в горных породах иссякнут, мы можем добывать его из воды, где он содержится в достаточно высокой концентрации (в 100 раз превосходящей концентрацию урана), чтобы его добыча была экономически целесообразной.

Термоядерная энергетика не только обещает человечеству, в принципе, возможность производства огромного количества энергии в будущем (без выбросов CO 2 и без загрязнения атмосферы), но и обладает повышенной безопасностью. Используемая в термоядерных установках плазма имеет очень низкую плотность (примерно в миллион раз ниже плотности атмосферы), вследствие чего рабочая среда установок никогда не будет содержать в себе энергии, достаточной для возникновения серьезных происшествий или аварий. Кроме того, загрузка «топливом» должна производиться непрерывно, что позволяет легко останавливать ее работу, не говоря уже о том, что в случае аварии и резкого изменения условий окружения термоядерное «пламя» должно просто погаснуть.

В чем состоят связанные с ядерной энергетикой опасности? Во-первых, стоит отметить, что оболочка реактора при длительном нейтронном облучении может стать радиоактивной. Однако при подборе для оболочки материалов с заданными свойствами можно обеспечить распад радиоактивных продуктов с периодом полураспада порядка 10 лет, а полная замена всех компонентов могла бы осуществляться через 100 лет. В случае полного отказа контура охлаждения радиоактивность стенок будет продолжать выделять тепло, но максимальная температура будет значительно ниже того значения, при котором установка расплавится.

Во-вторых, тритий является радиоактивным и имеет относительно небольшой период полураспада (12 лет). Но хотя объем используемой плазмы значителен, из-за ее низкой плотности там содержится лишь очень небольшое количество трития (общим весом примерно как десять почтовых марок). Поэтому, даже при самых тяжелых ситуациях и авариях (полное разрушение оболочки и выделение всего содержащегося в ней трития, например, при землетрясении и падении самолета на станцию), в окружающую среду поступит лишь незначительное количество топлива, что не потребует эвакуации населения из близлежащих населенных пунктов.

Основное препятствие на пути развития исследований в области ядерного синтеза состоит в том, что термоядерную установку обсуждаемого типа нельзя создать и исследовать в малых размерах, поскольку для термоядерного синтеза необходимо не только магнитное удержание плазмы, но и достаточный ее нагрев. Отношение затрачиваемой и получаемой энергии возрастает, по меньшей мере, пропорционально квадрату линейных размеров установки, вследствие чего научно-технические возможности и преимущества термоядерных установок могут быть проверены и продемонстрированы лишь на достаточно крупных станциях, типа упоминавшегося реактора ITER. Общество просто не было готово к финансированию столь крупных проектов, пока не было достаточной уверенности в успехе.

За последние два десятилетия наблюдался и значительный прогресс в теоретическом понимании поведения плазмы. В этой области необходимо отметить два результата, имеющих особую важность в рассматриваемых задачах:

1. Была обнаружена способность горячей плазмы (предсказанная ранее в лаборатории Culham, Великобритания) к самогенерации собственного тока, что получило название «зашнуровки» плазмы. Например, можно ожидать, что примерно 80% от тока величиной 15 MA, необходимого для удержания плазмы в реакторе ITER, будет возникать на основе этого эффекта, в результате чего поддержание рабочего режима реактора потребует намного меньше энергии, а само управление его работой станет гораздо более простым.

2. В Институте физики плазмы в Гархинге (Garching, Германия) в экспериментах по термоядерному слиянию наблюдался режим «высокого удержания», позволяющий значительно повысить давление в системе (то есть увеличить эффективность работы установки) при некоторых значениях магнитного поля в установке.

Реактор ITER создается консорциумом, в который входят Европейское Сообщество, Япония, Россия, США, Китай, Южная Корея и Индия. Общая численность населения этих стран составляет около половины всего населения Земли, так что проект можно назвать глобальным ответом на глобальный вызов. Основные компоненты и узлы реактора ITER уже созданы и испытаны, а строительство уже начато в местечке Кадараш (Франция). Запуск реактора запланирован на 2019 год, а получение дейтерий-водородной плазмы — на 2026 год, так как ввод реактора в действие требует длительных и серьезных испытаний для плазмы из водорода и дейтерия.

Как сказал Кристофер Ллуэллин-Смит, председатель Совета ИТЭР: «Нет абсолютной гарантии, что задача создания термоядерной энергетики (в качестве эффективного и крупномасштабного источника энергии для всего человечества) завершится успешно, но я лично полагаю, что вероятность удачи в этом направлении достаточно высока. Учитывая огромный потенциал термоядерных станций, можно считать оправданными все затраты на проекты их быстрого (и даже ускоренного) развития, тем более, что эти капиталовложения выглядят весьма скромными на фоне чудовищного по объему мирового энергетического рынка (4 триллиона долларов в год). Обеспечение потребностей человечества в энергии является очень серьезной проблемой. По мере того, как ископаемое топливо становится всё менее доступным (помимо этого, его использование становится нежелательным), ситуация изменяется, и мы просто не можем позволить себе не развивать термоядерную энергетику.»

На вопрос «Когда появится термоядерная энергетика?» Лев Арцимович (признанный пионер и лидер исследований в этой области) как-то ответил, что «она будет создана, когда станет действительно необходимой человечеству» . Возможно, это время пришло.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Благовещенский государственный педагогический университет»

Физико-математический факультет

Кафедра общей физики

Курсовая работа

на тему: Проблемы термоядерного синтеза

по дисциплине: Физика

Исполнитель: В.С. Клетченко

Руководитель: В.А. Евдокимова

Благовещенск 2010

Введение

Термоядерные реакции и их энергетическая выгодность

Условия протекания термоядерных реакций

Осуществление термоядерных реакций в земных условиях

Основные проблемы, связанные с осуществлением термоядерных реакций

Осуществление управляемых термоядерных реакций в установках типа «ТОКАМАК»

Проект ИТЭР

Современные исследования плазмы и термоядерных реакций

Заключение

Литература

Введение

В настоящее время человечество не может представить свою жизнь без электроэнергии. Она везде. Но традиционные способы получения электроэнергии не дешевые: только представить возведение ГЭС или реактора АЭС, то сразу становится понятно почему. Ученые 20-го века, перед лицом энергетического кризиса, нашли способ получения электроэнергии из вещества, количество которого не ограничено. Термоядерные реакции протекают при распаде дейтерия и трития. В одном литре воды содержится дейтерия столько, что при термоядерном синтезе может выделиться столько энергии, сколько получается при сжигании 350 литров бензина. То есть можно сделать вывод, что вода - это неограниченный источник энергии.

Если бы получение энергии с помощью термоядерного синтеза было бы настолько просто, как при помощи ГЭС, то человечество никогда не испытывало бы кризиса в энергетике. Для получения энергии таким способом необходима температура, эквивалентная температуре в центре солнца. Где взять такую температуру, как дорого будут стоить установки, насколько выгодна такая добыча энергии и безопасна ли такая установка? На эти вопросы будет дан ответ в настоящей работе.

Цель работы: изучение свойств и проблем термоядерного синтеза.

Термоядерные реакции и их энергетическая выгодность

Термоядерная реакция - синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который носит управляемый характер.

Известно, что ядро атома водорода представляет собой протон р. Такого водорода очень много в природе – в воздухе и в воде. Кроме этого существуют более тяжелые изотопы водорода. Ядро одного из них содержит, кроме протона р, еще и нейтрон n. Называется этот изотоп дейтерием D. Ядро другого изотопа содержит, кроме протона р два нейтрона n и называется тритерием (тритием) Т. Термоядерные реакции наиболее эффективно происходят при сверхвысоких температурах порядка 10 7 – 10 9 К. При термоядерных реакциях выделяется очень большая энергия, превышающая энергию, которая выделяется при делении тяжелых ядер. В реакции синтеза выделяется энергия, которая в расчете на 1кг вещества значительно больше энергии, выделяющейся в реакции деления урана. (Здесь под выделяющейся энергией понимается кинетическая энергия частиц, образующихся в результате реакции.) Например, при реакции слияния ядер дейтерия 1 2 D и трития 1 3 Т в ядро гелия 2 4 Не:

1 2 D + 1 3 Т → 2 4 Не + 0 1 n,

Выделяется энергия, приблизительно равная 3,5 МэВ на один нуклон. В реакциях деления энергия на один нуклон составляет около 1 МэВ.

При синтезе ядра гелия из четырех протонов:

4 1 1 p→ 2 4 Не + 2 +1 1 е,

выделяется еще большая энергия, равная 6,7 МэВ на одну частицу. Энергетическая выгодность термоядерных реакций объясняется тем, что удельная энергия связи в ядре атома гелия значительно превышает удельную энергию связи ядер изотопов водорода. Таким образом, при удачном осуществлении управляемых термоядерных реакций человечество получит новый мощный источник энергии.

Условия протекания термоядерных реакций

Для слияния легких ядер необходимо преодолеть потенциальный барьер, обусловленный кулоновским отталкиванием протонов в одноименно положительно заряженных ядрах. Для слияния ядер водорода 1 2 Dих надо сблизить на расстояние r, равное приблизительно r ≈ 3 10 -15 м. Для этого нужно совершить работу, равную электростатической потенциальной энергии отталкивания П=е 2: (4πε 0 r) ≈ 0,1 МэВ. Ядра дейтона смогут преодолеть такой барьер, если при соударении их средняя кинетическая энергия 3 / 2 kT будет равна 0,1 МэВ. Это возможно при Т=2 10 9 К. Практически температура, необходимая для протекания термоядерных реакций снижается на два порядка и составляет 10 7 К.

Температура порядка 10 7 К характерна для центральной части Солнца. Спектральный анализ показал, что в веществе Солнца, как и многих других звезд, имеется до 80% водорода и около 20% гелия. Углерод, азот и кислород составляют не более 1% массы звезд. При огромной массе Солнца (≈ 2 10 27 кг) количество этих газов достаточно велико.

Термоядерные реакции происходят на Солнце и звездах и являются источником энергии, обеспечивающим их излучение. Ежесекундно Солнце излучает энергию3,8 10 26 Дж, что соответствует уменьшению его массы на 4,3 млн. тонн. Удельное выделение энергии Солнца, т.е. выделение энергии, приходящееся на единицу массы Солнца в одну секунду, равно 1,9 10 -4 Дж/с кг. Оно весьма мало и составляет около 10 -3 % от удельного выделения энергии в живом организме в процессе обмена веществ. Мощность излучения Солнца практически не изменилась за много миллиардов лет существования Солнечной системы.

Один из путей протекания термоядерных реакций на Солнце – углеродно-азотный цикл, в котором соединение ядер водорода в ядро гелия облегчается в присутствии ядер углерода 6 12 С играющих роль катализаторов. В начале цикла быстрый протон проникает в ядро атома углерода 6 12 С и образует неустойчивое ядро изотопа азота 7 13 N с излучением γ-кванта:

6 12 С + 1 1 p→ 7 13 N + γ.

С периодом полураспада 14 минут в ядре 7 13 N происходит превращение 1 1 p→ 0 1 n + +1 0 е + 0 0 ν е и образуется ядро изотопа 6 13 С:

7 13 N→ 6 13 С + +1 0 е + 0 0 ν е.

приблизительно через каждые 32 млн. лет ядро 7 14 N захватывает протон и превращается в ядро кислорода 8 15 О:

7 14 N+ 1 1 p→ 8 15 О + γ.

Неустойчивое ядро 8 15 О с периодом полураспада 3 минуты испускает позитрон и нейтрино и превращается в ядро 7 15 N:

8 15 О→ 7 15 N+ +1 0 е+ 0 0 ν е.

Цикл завершается реакцией поглощения ядром 7 15 N протона с распадом его на ядро углерода 6 12 С и α-частицу. Это происходит приблизительно через 100 тысяч лет:

7 15 N+ 1 1 p→ 6 12 С + 2 4 Не.

Новый цикл начинается вновь с поглощением углеродом 6 12 С протона, исходящего в среднем через 13 миллионов лет. Отдельные реакции цикла отдалены во времени промежутками, которые являются по земным масштабам времени непомерно большими. Однако цикл является замкнутым и происходит непрерывно. Поэтому различные реакции цикла происходят на Солнце одновременно, начавшись в разные моменты времени.

В результате этого цикла четыре протона сливаются в ядро гелия с появлением двух позитронов и γ-излучения. К этому нужно добавить излучение, возникающее при слиянии позитронов с электронами плазмы. При образовании одного гамматома гелия выделяется 700 тысяч кВт ч энергии. Это количество энергии компенсирует потери энергии Солнца на излучение. Расчеты показывают, что количества водорода, имеющегося на Солнце, хватит на поддержание термоядерных реакций и излучения Солнца на миллиарды лет.

Осуществление термоядерных реакций в земных условиях

Осуществление термоядерных реакций в земных условиях создаст огромные возможности для получения энергии. Например, при использовании дейтерия, содержащегося в одном литре воды, в реакции термоядерного синтеза выделится столько же энергии, сколько выделится при сгорании примерно 350 литров бензина. Но если термоядерная реакция будет протекать самопроизвольно, то произойдет колоссальный взрыв, так как выделяющаяся при этом энергия очень велика.

Условия, близкие к тем, что реализуются в недрах Солнца, были осуществлены в водородной бомбе. Там происходит самоподдерживающаяся термоядерная реакция взрывного характера. Взрывчатым веществом является смесь дейтерия 1 2 D с тритием 1 3 Т. Высокая температура, необходимая для протекания реакции, получается за счет взрыва обычной атомной бомбы, помещенной внутри термоядерной.

Основные проблемы, связанные с осуществлением термоядерных реакций

В термоядерном реакторе реакция синтеза должна происходить медленно, должна быть возможность управлять ею. Изучение реакций, происходящих в высокотемпературной дейтериевой плазме, является теоретической основой получения искусственных управляемых термоядерных реакций. Основной трудностью является поддержание условий, необходимых для получения самоподдерживающейся термоядерной реакции. Для такой реакции необходимо, чтобы скорость выделения энергии в системе, где происходит реакция, была не меньше, чем скорость отвода энергии от системы. При температурах порядка 10 8 К термоядерные реакции в дейтериевой плазме обладают заметной интенсивностью и сопровождаются выделением большой энергии. В единице объема плазмы при соединении ядер дейтерия выделяется мощность 3кВт/м 3 . При температурах порядка 10 6 К мощность составляет всего лишь 10 -17 Вт/м 3 .