Лазерний термоядерний синтез. Керований термоядерний синтез

Інноваційні проекти з використанням сучасних надпровідників найближчим часом дозволять здійснити керований термоядерний синтез – так стверджують деякі оптимісти. Експерти, проте, передбачають, що практичне застосування триватиме кілька десятиліть.

Чому так складно?

Енергія термоядерного синтезу вважається потенційним джерелом Це чиста енергія атома. Але що ж вона є і чому її так складно домогтися? Для початку слід розібратися з різницею між класичним та термоядерним синтезом.

Поділ атома полягає в тому, що радіоактивні ізотопи - уран або плутоній - розщеплюються і перетворюються на інші високорадіоактивні ізотопи, які потім мають бути поховані або перероблені.

Синтеза полягає в тому, що два ізотопи водню – дейтерій і тритій – зливаються в єдине ціле, утворюючи неотруйний гелій та єдиний нейтрон, не виробляючи радіоактивних відходів.

Проблема контролю

Реакції, що відбуваються на Сонці чи у водневій бомбі, – це синтез термоядерний, і перед інженерами стоїть грандіозне завдання – як контролювати цей процес на електростанції?

Це те, над чим вчені працюють, починаючи з 1960-х років. Черговий експериментальний реактор термоядерного синтезу під назвою Wendelstein 7-X розпочав роботу у північному німецькому місті Грайфсвальді. Поки що він не призначений для створення реакції – це просто особлива конструкція, яка проходить випробування (стеларатор замість токамака).

Високоенергетична плазма

Всі термоядерні установки мають загальну рису - кільцеподібну форму. У її основі лежить ідея використання потужних електромагнітів до створення сильного електромагнітного поля, має форму тора - надутої велосипедної камери.

Це електромагнітне поле має бути настільки щільним, що коли воно нагрівається в мікрохвильовій печі до одного мільйона градусів за Цельсієм, у самому центрі кільця повинна з'явитися плазма. Потім вона запалюється, щоб синтез термоядерний міг розпочатися.

Демонстрація можливостей

У Європі нині проводиться два подібні експерименти. Одним із них є Wendelstein 7-X, який нещодавно згенерував свою першу гелієву плазму. Інший – ITER – величезна експериментальна установка термоядерного синтезу на півдні Франції, яка все ще знаходиться у стадії будівництва та буде готова до запуску у 2023 році.

Передбачається, що на ITER відбуватимуться справжні ядерні реакції, щоправда, лише протягом короткого періоду часу і точно не довше 60 хвилин. Цей реактор є лише одним із багатьох кроків на шляху до того, щоб на практиці здійснити ядерний синтез.

Термоядерний реактор: менше та потужніше

Нещодавно кілька конструкторів оголосили про створення нового дизайну реактора. За словами групи студентів з Массачусетського технологічного інституту, а також представників компанії – виробника озброєнь «Локхід Мартін», термоядерний синтез можна здійснити в установках, які набагато потужніші і менші, ніж ITER, і вони готові зробити це протягом десяти років.

Ідея нової конструкції полягає у використанні в електромагнітах сучасних високотемпературних надпровідників, які виявляють свої властивості при охолодженні рідким азотом, а не звичайних, для яких необхідна Нова, гнучкіша технологія дозволить повністю змінити конструкцію реактора.

Клаус Хеш, який відповідає за технології в Технологічному інституті Карлсруе на південному заході Німеччини, налаштований скептично. Він підтримує використання нових високотемпературних надпровідників нових конструкцій реакторів. Але за його словами, щось розробити на комп'ютері з урахуванням законів фізики недостатньо. Необхідно взяти до уваги виклики, які виникають при втіленні ідеї на практиці.

Наукова фантастика

За словами Хеш, модель студентів MIT показує лише можливість здійснення проекту. Але насправді у ній багато наукової фантастики. Проект передбачає, що серйозні технічні проблеми термоядерного синтезу вирішено. Але сучасна наука не має жодного уявлення про те, як їх вирішити.

Однією з таких проблем є ідея розбірних котушок. Для того щоб потрапити всередину кільця, що утримує плазму, моделі MIT-дизайну електромагніти можуть бути розібрані.

Це було б дуже корисно, тому що можна було б мати доступ до об'єктів у внутрішній системі та замінювати їх. Але насправді надпровідники виготовлені з керамічного матеріалу. Сотні їх мають бути переплетені витонченим способом, щоб сформувати правильне магнітне поле. І тут виникають більш фундаментальні труднощі: з'єднання між ними не такі прості, як з'єднання мідних кабелів. Ніхто ще навіть не замислювався про концепції, які б допомогли вирішити такі проблеми.

Занадто гаряче

Висока температура також є проблемою. У серцевині термоядерної плазми температура досягне близько 150 мільйонів градусів за Цельсієм. Ця екстремальна спека залишається на місці – прямо в центрі іонізованого газу. Але навіть навколо неї все ще дуже жарко - від 500 до 700 градусів у зоні реактора, що є внутрішнім шаром металевої труби, в якій відтворюватиметься тритій, необхідний для того, щоб відбувався ядерний синтез.

Має ще більшу проблему – так званий випуск потужності. Це частина системи, в яку з процесу синтезу надходить використане паливо, переважно гелій. Перші металеві компоненти, які потрапляє гарячий газ, називаються «дивертор». Він може нагріватись понад 2000 °C.

Проблема дивертора

Щоб установка могла витримувати такі температури, інженери намагаються використовувати металевий вольфрам, який застосовується у старомодних лампах розжарювання. Температура плавлення вольфраму становить близько 3000 градусів. Але є й інші обмеження.

У ITER це можна зробити, оскільки нагрівання у ній відбувається який завжди. Передбачається, що реактор працюватиме лише 1-3% часу. Але це не варіант для електростанції, яка має працювати у режимі 24/7. І якщо хтось стверджує, що здатний побудувати менший реактор з такою ж потужністю, як ITER, можна впевнено сказати, що він не має вирішення проблеми дивертора.

Електростанція за кілька десятиліть

Проте вчені з оптимізмом дивляться на розвиток термоядерних реакторів, щоправда, воно буде не таким швидким, як передбачають деякі ентузіасти.

ITER повинен показати, що керований термоядерний синтез насправді може зробити більше енергії, ніж витрачено на нагрівання плазми. Наступним кроком буде будівництво нової гібридної демонстраційної електростанції, яка б насправді виробляла електроенергію.

Інженери вже зараз працюють над її дизайном. Вони мають здобути уроки з ITER, запуск якої запланований на 2023 р. Зважаючи на час, необхідний для проектування, планування та будівництва, здається малоймовірним, що першу термоядерну електростанцію буде запущено набагато раніше середини XXI століття.

Холодний термоядерний синтез Росії

У 2014 році незалежний тест реактора E-Cat дійшов висновку, що пристрій протягом 32 днів у середньому виробляв 2800 Вт вихідної потужності при споживанні 900 Вт. Це більше, ніж здатна виділити будь-яку хімічну реакцію. Результат свідчить або про прорив у термоядерному синтезі, або про відверте шахрайство. Звіт розчарував скептиків, які сумніваються у тому, чи була перевірка справді незалежною та передбачають можливу фальсифікацію результатів тестування. Інші зайнялися з'ясуванням «секретних інгредієнтів», які дозволяють здійснити термоядерний синтез Россі, щоб відтворити цю технологію.

Россі – шахрай?

Андреа вражає. Він видає звернення до світу унікальною англійською у розділі коментарів свого веб-сайту, претензійно названого «Журнал ядерної фізики». Але його попередні невдалі спроби включали італійський проект перетворення сміття на паливо та термоелектричний генератор. Petroldragon, проект переробки відходів на джерело енергії, не вдався частково тому, що нелегальне поховання відходів контролюється італійською організованою злочинністю, яка порушила проти нього кримінальну справу щодо порушення правил поводження з відходами. Також він створив термоелектричний пристрій для Інженерного корпусу сухопутних військ США, але під час тестування гаджет зробив лише частину заявленої потужності.

Багато хто не довіряє Россі, а головний редактор New Energy Times прямо назвав його карним злочинцем, за плечима якого низка невдалих енергетичних прожектів.

Незалежна перевірка

Россі уклав контракт із американською компанією Industrial Heat на проведення річних секретних випробувань 1-МВт встановлення холодного термоядерного синтезу. Пристрій був транспортувальний контейнер, упакований десятками E-Cat. Експеримент повинен був контролюватись третьою стороною, яка б могла підтвердити, що справді має місце генерація тепла. Россі стверджує, що провів більшу частину минулого року, практично живучи в контейнері, і спостерігав за операціями протягом більш ніж 16 годин на добу, щоби довести комерційну життєздатність E-Cat.

Тест завершився у березні. Прихильники Росії з нетерпінням чекали на звіт спостерігачів, сподіваючись на виправдання свого героя. Але вони отримали судовий процес.

Судовий розгляд

У своїй заяві до суду Флориди Россі стверджує, що тест пройшов успішно і незалежний арбітр підтвердив, що реактор E-Cat виробляє у шість разів більше енергії, ніж споживає. Він також стверджував, що компанія Industrial Heat погодилася заплатити йому 100 млн. доларів США - 11,5 млн. авансом після 24-годинного випробування (нібито за права ліцензування, щоб компанія могла продавати цю технологію в США) і ще 89 млн. після успішного завершення розширеного випробування. протягом 350 днів. Россі звинувачував IH у проведенні «шахрайської схеми», метою якої була крадіжка його інтелектуальної власності. Він також звинуватив компанію у незаконному присвоєнні реакторів E-Cat, незаконному копіюванні інноваційних технологій та продуктів, функціональних можливостей та конструкцій та неправомірній спробі отримати патент на його інтелектуальну власність.

золота жила

В іншому місці Россі стверджує, що на тлі однієї з його демонстрацій компанія IH отримала від інвесторів 50-60 млн. доларів і ще 200 млн. від Китаю після відтворення за участю китайських посадових осіб вищого рівня. Якщо це правда, то на кону набагато більше ста мільйонів доларів. Industrial Heat відкинула ці претензії як безпідставні та збирається активно захищатися. Що ще важливіше, вона стверджує, що «протягом більш ніж трьох років працювала над підтвердженням результатів, яких нібито досяг Россі зі своєю E-Cat-технологією, і все безуспішно».

IH не вірить у працездатність E-Cat, і журнал New Energy Times не бачить причин, щоб сумніватися в цьому. У червні 2011 року представник видання відвідував Італію, взяв інтерв'ю у Росії та зняв демонстрацію його E-Cat. Через добу він повідомив про свої серйозні побоювання щодо способу вимірювання теплової потужності. Через 6 днів журналіст виклав своє відео на YouTube. Експерти з усього світу надсилали йому аналізи, опубліковані в липні. Зрозуміло, що це був обман.

Експериментальне підтвердження

Проте низці дослідників - Олександру Пархомову з Російського університету дружби народів та Проекту пам'яті Мартіна Флейшмана (MFPM) - вдалося відтворити холодний термоядерний синтез Россі. Звіт MFPM називався "Кінець вуглецевої ери близький". Причиною такого захоплення стало виявлення, яке неможливо пояснити інакше, як термоядерною реакцією. На думку дослідників, Росія має саме те, про що він говорить.

Життєздатний відкритий рецепт холодного ядерного синтезу здатний спричинити енергетичну «золоту лихоманку». Можуть бути знайдені альтернативні методи, які дозволять обійти патенти Росії та залишити його осторонь багатомільярдного енергетичного бізнесу.

Отже, можливо, Россі вважав би за краще уникнути цього підтвердження.

термоядерний синтез, реакція злиття легких атомних ядер у більш важкі ядра, що відбувається при надвисокій температурі і супроводжується виділенням величезних кількостей енергії. Ядерний синтез - це реакція, зворотна поділу атомів: в останній енергія виділяється за рахунок розщеплення важких ядер на легші. Див. такожЯДЕР ПОДІЛЕННЯ; АТОМНА ЕНЕРГЕТИКА.

Згідно з сучасними астрофізичними уявленнями, основним джерелом енергії Сонця та інших зірок є термоядерний синтез, що відбувається в їх надрах. У земних умовах він здійснюється під час вибуху водневої бомби. Термоядерний синтез супроводжується колосальним енерговиділенням на одиницю маси реагуючих речовин (приблизно в 10 мільйонів разів більшим, ніж у хімічних реакціях). Тому представляє великий інтерес опанувати цей процес і на його основі створити дешеве та екологічно чисте джерело енергії. Однак незважаючи на те, що дослідженнями керованого термоядерного синтезу (УТС) зайняті великі науково-технічні колективи в багатьох розвинених країнах, вирішити ще чимало складних проблем, перш ніж промислове виробництво термоядерної енергії стане реальністю.

Сучасні атомні станції, використовують процес розподілу, лише частково задовольняють світові потреби у електроенергії. Паливом їм служать природні радіоактивні елементи уран і торій, поширеність і запаси що у природі дуже обмежені; тому для багатьох країн виникає проблема їхнього імпорту. Головним компонентом термоядерного палива є ізотоп водню дейтерій, що міститься у морській воді. Запаси його загальнодоступні і дуже великі (світовий океан покриває ~ 71% площі Землі, але в частку дейтерію припадає близько 0,016% загальної кількості атомів водню, що входять до складу води). Крім доступності палива, термоядерні джерела енергії мають такі важливі переваги перед атомними станціями: 1) реактор УТС містить набагато менше радіоактивних матеріалів, ніж атомний реактор поділу, і тому наслідки випадкового викиду радіоактивних продуктів менш небезпечні; 2) при термоядерних реакціях утворюється менше довгоживучих радіоактивних відходів; 3) УТС допускає пряме отримання електроенергії.

Арцимович Л.А. Керовані термоядерні реакції. М., 1963
Теплові та атомні електричні станції(кн. 1, розд. 6; кн. 3, розд. 8). М., 1989

Знайти "ЯДЕРНИЙ СИНТЕЗ" на

• Переклад

Ця область називається тепер низькоенергетичними ядерними реакціями, і в ній можуть бути досягнуті справжні результати - або вона може виявитися впертою сміттєвою наукою

Доктор Мартін Флейшман (праворуч), електрохімік, та Стенлі Понс, голова хімічного відділу Університету Юти, відповідають на питання комітету з науки та технологій з приводу їхньої спірної роботи в галузі холодного синтезу, 26 квітня 1989 року.

Говард Дж. Вілк – хімік, фахівець із синтетичної органіки, вже довгий час не працює за фахом та живе у Філадельфії. Як і багато інших дослідників, які працювали у фармацевтичній галузі, він став жертвою скорочення НДДКР у лікарській індустрії, що відбувається останніми роками, і зараз займається підробітками, не пов'язаними з наукою. Маючи вільний час, Вілк відстежує прогрес компанії з Нью-Джерсі, Brilliant Light Power (BLP).

Це одна з тих компаній, що розробляють процеси, які можна загалом визначити як нові технології видобутку енергії. Цей рух, здебільшого, є воскрешением холодного синтезу – явища, що недовго існував у 1980-х, пов'язаного з отриманням ядерного синтезу в простому настільному електролітичному пристрої, який вчені швидко міли.

У 1991 році засновник BLP, Ренделл Л. Міллс, оголосив на прес-конференції в Ланкастері (Пенсільванія) про розробку теорії, за якою електрон у водні може переходити зі звичайного, основного енергетичного стану, раніше невідомі, більш стійкі стани з нижчою енергією. з вивільненням величезної кількості енергії. Міллс назвав цей дивний новий тип водню, що стиснувся, , і з тих пір працює над розробкою комерційного пристрою, що збирає цю енергію.

Вілк вивчив теорію Міллса, прочитав роботи та патенти, і провів свої власні обчислення для гідрину. Уілк навіть відвідав демонстрацію на території BLP у Кренбюрі, Нью-Джерсі, де обговорив гідрин з Міллсом. Після цього Уїлк все ще не може вирішити, чи є Міллс нереальним генієм, марудним ученим, чи чимось середнім.

Історія почалася в 1989 році, коли електрохіміки Мартін Флейшман та Стенлі Понс зробили дивовижну заяву на прес-конференції Університету Юти про те, що вони приручили енергію ядерного синтезу в електролітичному осередку.

Коли дослідники подавали електричний струм на комірку, на їхню думку, атоми дейтерію з важкої води, що проникли в паладієвий катод, вступали в реакцію синтезу та породжували атоми гелію. Надмірна енергія процесу перетворювалася на тепло. Флейшман і Понс стверджували, що це процес може бути результатом жодної відомої хімічної реакції, і додали до нього термін «холодний синтез».

Після багатьох місяців розслідування їхніх загадкових спостережень, однак, наукова спільнота дійшла згоди про те, що ефект був нестабільний, або взагалі був відсутній, і що в експерименті було допущено помилок. Дослідження забракували, а холодний синтез став синонімом сміттєвої науки.

Холодний синтез та виробництво гідрино – це святий Грааль для видобутку нескінченної, дешевої та екологічно чистої енергії. Вчених холодний синтез розчарував. Вони хотіли в нього повірити, але їхній колективний розум вирішив, що це було помилкою. Частиною проблеми була відсутність загальноприйнятої теорії для пояснення запропонованого явища - як кажуть фізики, не можна вірити експерименту, доки він не підтверджений теорією.

У Міллса є своя теорія, але багато вчених не вірять їй і вважають гідрин малоймовірним. Спільнота відкинула холодний синтез та ігнорувала Міллса та його роботу. Міллс чинив так само, намагаючись не потрапляти в тінь холодного синтезу.

А в цей час область холодного синтезу змінила ім'я на низькоенергетичні ядерні реакції (НЕЯР) і існує далі. Деякі вчені продовжують спроби пояснити ефект Флейшмана-Понса. Інші відкинули ядерний синтез, але досліджують інші можливі процеси, здатні пояснити надмірне тепло. Як і Міллс, їх залучили потенційні можливості комерційного застосування. Здебільшого їх цікавить видобуток енергії для індустріальних потреб, домашніх господарств та транспорту.

У небагатьох компаній, створених у спробах вивести нові енергетичні технології на ринок, бізнес-моделі схожі на моделі будь-якого технологічного стартапу: визначити нову технологію, спробувати запатентувати ідею, викликати інтерес інвесторів, отримати фінансування, побудувати прототипи, провести демонстрацію, оголосити дати надходження робітників пристроїв у продаж. Але у новому енергетичному світі порушення термінів – це норма. Ніхто поки що не зробив останнього кроку з демонстрацією робочого пристрою.

Нова теорія

Прийнято вважати, що єдиний електрон водню шастає навколо його ядра, перебуваючи на найбільш прийнятній орбіті основного стану. Просто неможливо присунути електрон водню ближче до ядра. Але Міллс стверджує, що це можливо.

Наразі він працює дослідником у Airbus Defence & Space, і каже, що не відстежував діяльність Міллса з 2007 року, оскільки в експериментах не спостерігалося однозначних ознак надмірної енергії. «Сумніваюся, що пізніші експерименти пройшли науковий відбір», сказав Ратке.

«Думаю, що в цілому визнано, що теорія доктора Міллса, висунута ним як основа його заяв, суперечлива і не здатна видавати передбачення, - продовжує Ратке. - Можна було б запитати, "Чи могли ми так вдало натрапити на джерело енергії, яке просто працює, дотримуючись невірного теоретичного підходу?" ».

У 1990-х кілька дослідників, включаючи команду з Дослідницького центру Льюїса, незалежно один від одного повідомили про відтворення підходу Міллса та отримання надлишкового тепла. Команда НАСА у звіті написала, що «результати далекі від переконливих», і нічого не говорила про гідрин.

Дослідники пропонували можливі електрохімічні процеси для пояснення тепла, включаючи нерівномірність електрохімічного осередку, невідомі екзотермічні хімічні реакції, рекомбінацію розділених атомів водню та кисню у воді. Ті самі аргументи наводили і критики експериментів Флейшмана-Понса. Але команда з НАСА уточнила, що дослідники не повинні відкидати це явище просто на випадок, якщо Міллс на щось натрапив.

Міллс дуже швидко говорить і здатний вічно розповідати про технічні деталі. Крім передбачення гидрино, Міллс стверджує, що його теорія може ідеально передбачити розташування будь-якого електрона в молекулі, використовуючи спеціальний софт для моделювання молекул, і навіть у таких складних молекулах, як ДНК. З використанням стандартної квантової теорії вченим важко передбачити точну поведінку чогось складнішого, ніж атом водню. Також Міллс стверджує, що його теорія пояснює явище розширення Всесвіту із прискоренням, яке космологи ще не до кінця розкусили.

Крім того, Міллс говорить, що гідрини з'являються при спалюванні водню в зірках, таких, як наше Сонце, і що їх можна виявити у спектрі зоряного світла. Водень вважається найпоширенішим елементом у всесвіті, але Міллс стверджує, що гідрин – це і є темна матерія, яку не можуть знайти у Всесвіті. Астрофізики з подивом сприймають такі припущення: «Я ніколи не чув про гідрино», каже Едвард Колб [Edward W. (Rocky) Kolb] з університету Чикаго, експерт з темного всесвіту.

Міллс повідомив про успішну ізоляцію та опис гідрину за допомогою стандартних спектроскопічних методів, таких, як інфрачервоний, романівський, та спектроскопія ядерно-магнітного резонансу. Крім того, за його словами, гідрини можуть вступати в реакції, що призводять до появи нових типів матеріалів із «дивовижними властивостями». Сюди входять провідники, які, за словами Міллса, зроблять революцію у світі електронних пристроїв та акумуляторів.

І хоча його заяви суперечать громадській думці, ідеї Міллса здаються не такими екзотичними в порівнянні з іншими незвичайними компонентами Всесвіту. Наприклад, мюоній - відома короткоживуча екзотична сутність, що складається з антимюона (позитивно зарядженої частинки, схожої на електрон) та електрона. Хімічно мюоній веде себе як ізотоп водню, але при цьому у дев'ять разів його легше.

SunCell, гідриновий паливний осередок

Підхід BLP до створення гідрину виявлявся по-різному. У ранніх прототипах Міллс із командою використовували вольфрам або нікелеві електроди з електролітичним розчином літію або калію. струм, що підводиться, розщеплював воду на водень і кисень, і за потрібних умов літій або калій грали роль каталізатора для поглинання енергії і колапсу електронної орбіти водню. Енергія, що виникає під час переходу з основного атомного стану в стан з нижчою енергією, виділялася у вигляді яскравої високотемпературної плазми. Пов'язане з нею тепло потім використовувалося для створення пари та живлення електрогенератора.

Зараз у BLP тестують пристрій SunCell, в якому водень (з води) та оксид-каталізатор подаються до сферичного вуглецевого реактора з двома потоками розплавленого срібла. Електричний струм, що подається на срібло, запускає плазмову реакцію з формуванням гідрину. Енергія реактора вловлюється вуглецем, що працює як «радіатор чорного тіла». Коли він розжарюється до тисяч градусів, то випромінює енергію у вигляді видимого світла, що уловлюється фотовольтаїчними осередками, що перетворюють світло на електрику.

Щодо комерційних розробок Міллс іноді виглядає як параноїк, а іноді – як практичний бізнесмен. Він зареєстрував торгову марку Hydrino. І оскільки його патенти заявляють про винахід гідрину, BLP заявляють про інтелектуальну власність на дослідження гідрину. У зв'язку з цим BLP забороняє іншим експериментаторам проводити навіть базові дослідження гідрину, які можуть підтвердити або спростувати їх існування без попереднього підписання угоди про інтелектуальну власність. «Ми запрошуємо дослідників, ми хочемо, щоб інші займалися цим, – каже Міллс. – Але нам потрібно захищати нашу технологію».

Натомість Міллс призначив уповноважених валідаторів, які стверджують, що можуть підтвердити працездатність винаходів BLP. Один із них – електротехнік з Бакнеллського університету, професор Пітер М. Дженсон [Peter M. Jansson], якому платять за оцінку технології BLP через його консалтингову компанію Integrated Systems. Дженсон стверджує, що компенсація його часу «не впливає на мої висновки як незалежного дослідника наукових відкриттів». Він додає, що «спростував більшу частину відкриттів», які він вивчав.

«Вчені з BLP займаються справжньою наукою, і поки я не знайшов жодних помилок у їхніх методах та підходах, – каже Дженсон. – З роками я бачив багато пристроїв у BLP, які явно здатні виробляти надмірну енергію в осмислених кількостях. Думаю, що науковій громадськості знадобиться якийсь час для того, щоб прийняти та перетравити можливість існування низькоенергетичних станів водню. На мою думку, робота доктора Міллса є незаперечною». Дженсон додає, що BLP стикається зі складнощами в комерційному застосуванні технології, але перешкоди мають діловий, а не науковий характер.

А поки що BLP провела кілька демонстрацій своїх нових прототипів для інвесторів з 2014 року, і опублікувала відеоролики на своєму сайті. Але ці події не дають чітких доказів того, що SunCell справді працює.

У липні, після однієї з демонстрацій, компанія оголосила, що оцінна вартість енергії із SunCell настільки мала – від 1% до 10% будь-якої іншої відомої форми енергії – що компанія «збирається надати автономні індивідуальні джерела живлення практично для всіх стаціонарних та мобільних додатків, не прив'язаних до енергомережі чи паливних джерел енергії». Інакше кажучи, компанія планує побудувати та видавати в лізинг SunCells або інші пристрої споживачам, стягуючи щоденну плату, і дозволяючи їм відв'язуватись від енергомереж та перестати купувати бензин чи соляру, при цьому витрачаючи у рази менше грошей.

«Це кінець ери вогню, двигуна внутрішнього згоряння та централізованих систем подачі енергії, – каже Міллс. – Наша технологія зробить решту видів енергетичних технологій застарілими. Проблеми зміни клімату буде вирішено». Він додає, що, зважаючи на все, BLP може розпочати випуск продукції, для початку станцій потужністю в МВт, до кінця 2017 року.

Що в імені?

Багато з цих вчених та інженерів, які часто працювали на власні кошти, цікавилися не стільки комерційними можливостями, скільки наукою: електрохімією, металургією, калориметрією, мас-спектрометрією та ядерною діагностикою. Вони продовжували ставити експерименти, що видавали надлишкове тепло, що визначається як кількість енергії, що видається системою, по відношенню до енергії, необхідної для її роботи. У деяких випадках повідомлялося про ядерні аномалії, такі як поява нейтрино, α-часток (ядер гелію), ізотопи атомів і трансмутація одних елементів в інші.

Але зрештою більшість дослідників шукають пояснення того, що відбувається, і були б щасливі, навіть якби скромна кількість тепла виявилася б корисною.

"НЕЯР знаходяться в експериментальній фазі, і теоретично поки не зрозумілі", каже Девід Нагель [David J. Nagel], професор з електротехніки та інформатики в Університеті ім. Джорджа Вашингтона, і колишній менеджер з досліджень у Дослідницькій лабораторії морфлоту. «Деякі результати просто незрозумілі. Назвіть це холодним синтезом, низькоенергетичними ядерними реакціями, або ще якось – імен достатньо – ми все одно нічого не знаємо про це. Але немає сумніву, що ядерні реакції можна запускати за допомогою хімічної енергії».

Нагель вважає за краще називати явище НЕЯР «решітковими ядерними реакціями», оскільки явище відбувається в кристалічних ґратах електрода. Спочатку відгалуження цієї області концентрується на впровадженні дейтерію в паладієвий електрод за допомогою подачі великої енергії, пояснює Нагель. Дослідники повідомляли, що такі електрохімічні системи можуть видавати до 25 разів більше енергії, ніж споживають.

Інше основне відгалуження області використовує поєднання нікелю та водню, яке видає до 400 разів більше енергії, ніж споживає. Нагель любить порівнювати ці НЕЯР-технології з експериментальним міжнародним термоядерним реактором, заснованим на добре відомій фізиці – злитті дейтерію та тритію – який будують на півдні Франції. Вартість цього 20-річного проекту становить $20 млрд, і його мета у виробництві енергії, що перевищує споживану у 10 разів.

Нагель каже, що область НЕЯР повсюдно зростає, і головні перешкоди – нестача фінансування та нестабільні результати. Наприклад, деякі дослідники повідомляють, що для запуску реакції необхідно досягти якогось порогового значення. Вона може вимагати мінімальної кількості дейтерію або водню для запуску, або електроди необхідно підготувати, надавши їм кристалографічну орієнтацію та поверхневу морфологію. Остання вимога – звичайна для гетерогенних каталізаторів, що використовуються при очищенні бензину та на нафтохімічних виробництвах.

Нагель визнає, що комерційна сторона НЕЯР теж має проблеми. Прототипи, що розробляються, за його словами, «досить грубі», і поки що не з'явилося компанії, що продемонструвала працюючий прототип або заробила на цьому гроші.

E-Cat від Росії

Россі стверджує, що в його E-Cat відбувається процес, що самопідтримується, в якому вхідний електричний струм запускає синтез водню і літію в присутності порошкової суміші нікелю, літію і алюмогідриду літію, в результаті якого з'являється ізотоп берилію. Короткоживучий берилій розпадається на дві -частки, а надмірна енергія виділяється у вигляді тепла. Частина нікелю перетворюється на мідь. Россі говорить про відсутність як відходів, так і випромінювання поза апаратом.

Анонс Россі викликав у вчених те саме неприємне почуття, що й холодний синтез. Россі викликає у багатьох людей недовіру через своє спірне минуле. В Італії його звинуватили у шахрайстві через його попередні ділові махінації. Россі каже, що ці звинувачення залишилися у минулому і не хоче обговорювати їх. Також він якось мав контракт на створення теплових установок для ЗС США, але поставлені ним пристрої не працювали за специфікаціями.

У 2012 році Россі оголосив про створення системи потужністю 1 МВт, придатну для опалення великих будівель. Також він припускав, що до 2013 року у нього вже буде фабрика, яка щорічно виробляє мільйон установок потужністю 10 кВт і розміром з ноутбук, призначених для домашнього використання. Але ні фабрики, ні цих пристроїв так і не сталося.

У 2014 році Россі продав технологію за ліцензією компанії Industrial Heat, відкритою інвестиційною конторою Cherokee, що займається купівлею нерухомості та очищає старі промзони для нової забудови. У 2015 році генеральний директор Cherokee, Том Дарден, за освітою юрист і фахівець із навколишнього середовища, назвав Industrial Heat «джерелом фінансування для винахідників НЕЯР».

Дарден каже, що Cherokee запустила Industrial Heat, оскільки в інвестиційній компанії вірять, що технологія НЕЯР варта досліджень. «Ми були готові помилятися, ми готові були вкласти час і ресурси, щоб дізнатися, чи може ця галузь виявитися корисною в нашій місії щодо запобігання забрудненню [довкілля]», говорить він.

А в цей час Industrial Heat і Leonardo посварилися, і тепер судяться один з одним щодо порушень угоди. Россі отримав би $100 млн, якби річний тест його системи потужністю 1 МВт виявився успішним. Россі каже, що тест закінчено, але в Industrial Heat так не вважають, і побоюються, що пристрій не працює.

Нагель каже, що E-Cat привніс до області НЕЯР ентузіазм та надію. 2012 року він стверджував, що, на його думку, Россі не був шахраєм, «але мені не подобаються деякі його підходи до тестування». Нагель вважав, що Россі мав діяти акуратніше і прозоріше. Але тоді Нагель сам вважав, що пристрої на принципі НЕЯР з'являться у продажу до 2013 року.

Россі продовжує дослідження та оголосив про розробки інших прототипів. Але він мало що розповідає про свою роботу. Він каже, що пристрої потужністю 1 МВт вже знаходяться у виробництві, і він отримав «необхідні сертифікати» для їх продажу. Домашні пристрої, за його словами, поки що чекають на сертифікацію.

Нагель каже, що після спаду радісного настрою, пов'язаного з оголошеннями Росії, до НЕЯР повернувся статус-кво. Доступність комерційних генераторів НЕЯР відсунулася на кілька років. І навіть якщо пристрій витримає проблеми відтворюваності та буде корисним, його розробникам належить жорстока битва з регуляторами та прийняттям його користувачами.

Але він зберігає оптимізм. «НЕЯР можуть стати комерційно доступними ще до їхнього повного розуміння, як було з рентгеном», каже він. Він уже обладнав лабораторію в Університеті ім. Джорджа Вашингтона для нових експериментів з нікелем та воднем.

Наукові спадщини

"Дуже невдало вийшло, коли холодний синтез вперше був опублікований в 1989 році як нове джерело енергії синтезу, а не просто як якась нова наукова дивина", каже електрохімік Мелвін Майлс. "Можливо, дослідження могли б йти як завжди, з більш акуратним і точним вивченням".

Колишній дослідник у Центрі повітряно-морських досліджень на базі Чайна Лейк, Майлс іноді працював із Флейшманом, який помер у 2012 році. Майлс вважає, що Флейшман і Понс мали рацію. Але й сьогодні він не знає, як можна зробити комерційне джерело енергії для системи з паладію та дейтерію, незважаючи на безліч експериментів, у ході яких було отримано надлишкове тепло, що корелює з отриманням гелію.

«Навіщо хтось продовжуватиме дослідження чи цікавитиметься темою, яку 27 років тому оголосили помилкою? - Запитує Майлс. – Я переконаний, що холодний синтез колись визнають ще одним важливим відкриттям, яке довго приймали, і з'явиться теоретична платформа, яка пояснить б результати експериментів».

Ядерний фізик Людвік Ковальський, почесний професор із Монтклерського державного університету погоджується, що холодний синтез став жертвою невдалого старту. «Я досить старий, щоб пам'ятати ефект, зроблений першим оголошенням на наукову спільноту та громадськість», каже Ковальський. Часом він співпрацював із дослідниками НЄЯР, «але мої три спроби підтвердити сенсаційні заяви були невдалими».

Ковальський вважає, що перша ганьба, зароблена дослідженням, вилилася у велику проблему, неналежну для наукового методу. Справедливі чи ні дослідники НЕЯР, Ковальський досі вважає, що варто докопатися до чіткого вердикту «так» чи «ні». Але його не знайти доти, доки дослідників холодного синтезу вважають «ексцентричними псевдонауковцями», каже Ковальський. "Прогрес неможливий, і ніхто не виграє від того, що результати чесних досліджень не публікуються, і ніхто не перевіряє їх незалежно в інших лабораторіях".

Час покаже

Візьмемо, наприклад, Sun Catalytix. Компанія вийшла з MIT за підтримки твердої науки, але стала жертвою комерційних атак до того, як вийшла на ринок. Вона була створена для комерціалізації штучного фотосинтезу, розробленого хіміком Денієлом Носерою [Daniel G. Nocera], що працює нині в Гарварді, для ефективного перетворення води у водневе паливо за допомогою сонячного світла та недорогого каталізатора.

Носера мріяв, що отриманий таким чином водень зможе живити прості паливні осередки і давати енергію будинкам і селам у відсталих регіонах світу, які не мають доступу до енергомереж, і даючи їм можливість насолоджуватися сучасними зручностями, які покращують рівень життя. Але на розробку знадобилося набагато більше грошей і часу, ніж здавалося спочатку. Через чотири роки Sun Catalytix кинула спроби комерціалізації технології, зайнялася виготовленням потокових батарей і потім у 2014 році її купила Lockheed Martin.

Невідомо, чи гальмують розвиток компаній, які займаються НЕЯР, такі самі перешкоди. Наприклад, Вілк, органічний хімік, який стежив за прогресом Міллса, стурбований бажанням зрозуміти, чи ґрунтуються спроби комерціалізації BLP на чомусь реальному. Йому потрібно знати, чи існує гидрино.

У 2014 році Уілк запитав Міллса, чи ізолював той гідрино, і хоча Міллс уже писав у роботах і патентах, що йому це вдалося, він відповів, що такого ще не було, і що це було б «дуже великим завданням». Але Вілка здається інше. Якщо процес створює літри гідринного газу, це має бути очевидним. "Покажіть нам гідрино!", Вимагає Вілк.

Уілк каже, що світ Міллса, і разом з ним світ інших людей, які займаються НЄЯР, нагадує йому один із парадоксів Зенона, який говорить про ілюзорність руху. «Щороку вони долають половину відстані до комерціалізації, але чи доберуться вони до неї колись?». Уілк вигадав чотири пояснення для BLP: розрахунки Міллса вірні; це шахрайство; це погана наука; це патологічна наука, як називав її нобелівський лауреат з фізики Ірвінг Ленгмюр.

Ленгмюр винайшов цей термін більше 50 років тому для опису психологічного процесу, в якому вчений підсвідомо віддаляється від наукового методу і так поринає у своє заняття, що виробляє неможливість об'єктивно дивитися на речі і бачити, що реально, а що ні. Патологічна наука – це «наука про речі, не такі, як вони здаються», говорив Ленгмюр. У деяких випадках вона розвивається в таких областях, як холодний синтез/НЕЯР, і ніяк не здається, незважаючи на те, що визнається хибною більшістю вчених.

«Сподіваюся, що вони мають рацію», говорить Уїлк про Міллса та BLP. "Справді. Я не хочу їх спростовувати, просто шукаю істину». Але якби «свині вміли літати», як каже Вілкс, він би прийняв їхні дані, теорію та інші передбачення, що випливають з неї. Але він ніколи не був віруючим. «Думаю, якби гідрини існували, їх виявили б в інших лабораторіях або в природі багато років тому».

Всі обговорення холодного синтезу та НЕВР закінчуються саме так: вони завжди приходять до того, що ніхто не випустив на ринок працюючого пристрою, і жоден із прототипів у найближчому майбутньому не можна буде поставити на комерційні рейки. Тож час буде останнім суддею.

Теги:

• холодний синтез
• неяр
• низькоенергетичні ядерні реакції
• suncell
• росі
• e-cat

Аварія на японській станції Фукусіма вдруге продемонструвала усьому світу небезпеку атомної енергетики. У країнах Європи відбулися демонстрації проти використання атомних станцій. І все ж немає підстав вважати, що АЕС більше не будуватимуть. Жителі Землі споживають дедалі більше енергії. Для деяких регіонів, де запаси природного вугілля, нафти та газу мінімальні, атомна енергія необхідна. На жаль, альтернативні джерела енергії, такі як енергія сонячного світла, вітру, хвиль тощо. не здатні важливо замінити дуже багато споживаної людством енергії (16 ТВт). Їхня частка у світовому виробництві енергії поки що становить всього 0,5%.

Тим часом сучасний світ стоїть перед дуже серйозною енергетичною кризою. Проблема пов'язана з тим, що за всіма серйозними прогнозами запаси копалин горючих речовин можуть вичерпатися вже у другій половині поточного століття.Більше того, спалювання викопних палив може призвести до необхідності якимось чином пов'язувати і «зберігати» вуглекислий газ, що випускається в атмосферу (програма CCS) для запобігання серйозним змінам у кліматі планети.

Зараз вкрай необхідне нове потужне джерело енергії.Настав час прориву. Інакше людство може само себе знищити в боротьбі за запаси нафти і газу, що залишилися під землею.

Найсерйознішою альтернативою сучасним джерелам енергії вчені вважають керований термоядерний синтез.

Ядерний синтез, що є основою існування Сонця і зірок, потенційно є невичерпним джерелом енергії для розвитку всесвіту взагалі.

Експерименти, що проводяться у Великій Британії в рамках програми Joint European Torus (JET), що є однією з провідних дослідницьких програм у світі, показують, що ядерний синтез може забезпечити не тільки поточні енергетичні потреби людства, але й набагато більшу кількість енергії.

Приклад термоядерної реакції - дейтерій + тритій

Два ядра: дейтерію та тритію зливаються, з утворенням ядра гелію (альфа-частка) і високоенергетичного нейтрону.

Саме цю реакцію передбачається використовувати у майбутніх термоядерних реакторах. Але здійснити цю реакцію та зробити її керованою дуже складно. Для ініціювання (запалювання) реакції синтезу необхідно нагріти газ із суміші дейтерію та тритію до температури вище 100 мільйонів градусів Цельсія, що приблизно в десять разів вище температури в центрі Сонця. При цій температурі найбільш «енергетичні» дейтрони і тритони (ядра дейтерію та тритію) зближуються при зіткненнях на такі близькі відстані, що між ними починають діяти потужні ядерні сили, що змушують їх зливатися один з одним в єдине ціле.

Здійснення процесу ядерного синтезу у лабораторії пов'язані з дуже складними проблемами. Для вирішення завдання нагріву та утримання газової суміші ядер D і T були придумані «магнітні пляшки», які отримали назву «Токамак», які запобігають взаємодії плазми зі стінками реактора. Початком сучасної епохи у вивченні можливостей термоядерного синтезу слід вважати 1969, коли на російській установці Токамак Т3 в плазмі об'ємом близько 1 м 3 була досягнута температура 3 10 6 °C. Після цього вчені у всьому світі визнали конструкцію токамака найперспективнішою для магнітного утримання плазми. Вже за кілька років було прийнято сміливе рішення про створення установки JET (Joint European Torus) із значно більшим об'ємом плазми (~100 м 3 ). Ця установка почала працювати в 1983 році і залишається поки що найбільшим у світі токамаком, що забезпечує нагрівання плазми до температури 150 10 6 °C.

Наразі у Франції розпочинається будівництво міжнародного експериментального термоядерного реактора ITER. Розшифровується абревіатура як International Tokamak Experimental Reactor, але зараз назва ITER офіційно не вважається абревіатурою, а пов'язується з латинським словом iter — шлях.

На малюнку – проект будівництва реактора ITER у містечку Кадараш, Франція.

Завдання, що стоять на шляху створення термоядерних реакторів та переваги ядерної енергетики, дуже докладно і доступно для розуміння були викладені в лекції «На шляху до термоядерної енергетики», прочитаної головою Ради ITER Крістофером Ллуеллін-Смітом у ФІАН. (http:///elementy.ru/lib/430807)

ITER має стати першою великомасштабною енергетичною установкою, розрахованою на тривалу експлуатацію. Проблеми і складності експлуатації такої установки пов'язані, перш за все, з тим, що потужний потік високоенергетичних нейтронів і енергія, що виділяється (у вигляді електромагнітного випромінювання і частинок плазми) серйозно впливають на реактор і руйнують матеріали, з яких він створений. Друга основна проблема полягає у забезпеченні високої міцності конструкційних матеріалів реактора при тривалому (протягом кількох років) бомбардуванні нейтронами та під впливом потоку тепла. Третя і, можливо, найголовніша проблема полягає у забезпеченні високої надійності роботи. Таким чином, проектування та будівництво термоядерних станцій вимагають від фізиків та інженерів вирішення цілого ряду різноманітних та дуже складних технологічних завдань.

Однак, незважаючи на всі складнощі, проблема варте того, щоб їй займатися найсерйознішим чином. Основна перевага ядерного синтезу полягає в тому, що як паливо для нього потрібна лише дуже невелика кількість дуже поширених у природі речовин. Реакція ядерного синтезу в описуваних установках може призводити до виділення величезної кількості енергії, що в десять мільйонів разів перевищує стандартне тепловиділення при звичайних хімічних реакціях (типу спалювання викопного палива). Наприклад, кількість вугілля, необхідного для забезпечення роботи теплової електростанції потужністю 1 ГВт становить 10 000 тонн на день (десять залізничних вагонів), а термоядерна установка такої ж потужності споживатиме щодня лише близько 1 кілограма суміші D+T.

Дейтерій є стійким ізотопом водню. Приблизно в одній із кожних 3350 молекул звичайної води один з атомів водню заміщений дейтерієм (спадщина, що дісталася нам від Великого Вибуху). Це дозволяє легко організувати досить дешеве отримання необхідної кількості дейтерію з води. Більш складним є отримання тритію, який є нестабільним (період напіврозпаду близько 12 років, внаслідок чого його вміст у природі мізерний), однак, тритій виникатиме прямо всередині термоядерної установки в процесі роботи, за рахунок реакції нейтронів з літієм.

Таким чином, вихідним паливом для термоядерного реактора є літій та вода. Літій є звичайним металом, що широко використовується в побутових приладах (в батарейках для мобільних телефонів і т. п.). Описана вище установка навіть з урахуванням неідеальної ефективності зможе виробляти 200 000 кВт/год електричної енергії, що еквівалентно енергії, що міститься в 70 тоннах вугілля. Необхідна для цього кількість літію міститься в одній батарейці, а кількість дейтерію – у 45 літрах води. Вказана вище величина відповідає сучасному споживанню електроенергії (у перерахунку на одну особу) у країнах ЄС за 30 років. Сам факт, що така незначна кількість літію може забезпечити вироблення такої кількості електроенергії (без викидів CO 2 і без найменшого забруднення атмосфери), є досить серйозним аргументом для якнайшвидшого та енергійного розвитку термоядерної енергетики (попри всі складнощі та проблеми) і навіть без стовідсоткової впевненості в успіх таких досліджень.

Дейтерія має вистачити на мільйони років, а запаси літію, що легко видобувається, цілком достатні для забезпечення потреб протягом сотень років. Навіть якщо запаси літію в гірських породах вичерпаються, ми можемо видобувати його з води, де він міститься в досить високій концентрації (у 100 разів перевищує концентрацію урану), щоб його видобуток був економічно доцільним.

Термоядерна енергетика не тільки обіцяє людству, в принципі, можливість виробництва величезної кількості енергії в майбутньому (без викидів CO 2 і без забруднення атмосфери), але й має підвищену безпеку. Плазма, що використовується в термоядерних установках, має дуже низьку щільність (приблизно в мільйон разів нижче щільності атмосфери), внаслідок чого робоче середовище установок ніколи не міститиме в собі енергії, достатньої для виникнення серйозних подій або аварій. Крім того, завантаження «паливом» має проводитися безперервно, що дозволяє легко зупиняти її роботу, не кажучи вже про те, що у разі аварії та різкої зміни умов оточення термоядерне «полум'я» має просто згаснути.

У чому полягають пов'язані з ядерною енергетикою небезпеки? По-перше, варто зазначити, що оболонка реактора за тривалого нейтронного опромінення може стати радіоактивною. Однак при підборі для оболонки матеріалів із заданими властивостями можна забезпечити розпад радіоактивних продуктів з періодом напіврозпаду близько 10 років, а повна заміна всіх компонентів могла б здійснюватися через 100 років. У разі повної відмови контуру охолодження радіоактивність стінок буде продовжувати виділяти тепло, але максимальна температура буде значно нижчою за те значення, при якому установка розплавиться.

По-друге, тритій є радіоактивним та має відносно невеликий період напіврозпаду (12 років). Але хоча обсяг використовуваної плазми значний, через її низьку щільність там міститься лише дуже невелика кількість тритію (загальною вагою приблизно десять поштових марок). Тому, навіть при найважчих ситуаціях і аваріях (повна руйнація оболонки і виділення всього тритію, що міститься в ній, наприклад, при землетрусі і падінні літака на станцію), в довкілля надійде лише незначна кількість палива, що не вимагатиме евакуації населення з прилеглих населених пунктів .

Основна перешкода на шляху розвитку досліджень у галузі ядерного синтезу полягає в тому, що термоядерну установку обговорюваного типу не можна створити і досліджувати в малих розмірах, оскільки для термоядерного синтезу необхідне як магнітне утримання плазми, а й достатній її нагрівання. Відношення енергії, що витрачається і одержується, зростає, щонайменше, пропорційно квадрату лінійних розмірів установки, внаслідок чого науково-технічні можливості і переваги термоядерних установок можуть бути перевірені і продемонстровані лише на досить великих станціях, типу згадуваного реактора ITER. Суспільство просто не було готове до фінансування таких великих проектів, доки не було достатньої впевненості в успіху.

За останні два десятиліття спостерігався значний прогрес у теоретичному розумінні поведінки плазми. У цій галузі необхідно відзначити два результати, що мають особливу важливість у розглянутих задачах:

1. Було виявлено здатність гарячої плазми (передбачена раніше в лабораторії Culham, Великобританія) до самогенерації власного струму, що отримало назву «зашнурівки» плазми. Наприклад, можна очікувати, що приблизно 80% від струму величиною 15 MA, необхідного для утримання плазми в реакторі ITER, буде виникати на основі цього ефекту, внаслідок чого підтримання робочого режиму реактора вимагатиме набагато менше енергії, а саме управління його роботою стане набагато більше простим.

2. В Інституті фізики плазми в Гархінгу (Garching, Німеччина) в експериментах з термоядерного злиття спостерігався режим «високого утримання», що дозволяє значно підвищити тиск у системі (тобто збільшити ефективність роботи установки) за деяких значень магнітного поля в установці.

Реактор ITER створюється консорціумом, до якого входять Європейське Співтовариство, Японія, Росія, США, Китай, Південна Корея та Індія. Загальна чисельність населення цих країн становить близько половини населення Землі, так що проект можна назвати глобальною відповіддю на глобальний виклик. Основні компоненти та вузли реактора ITER вже створені та випробувані, а будівництво вже розпочато у містечку Кадараш (Франція). Запуск реактора запланований на 2019 рік, а отримання дейтерій-водневої плазми — на 2026 рік, оскільки введення реактора в дію потребує тривалих та серйозних випробувань для плазми з водню та дейтерію.

Як сказав Крістофер Ллуеллін-Сміт, голова Ради ІТЕР: «Немає абсолютної гарантії, що завдання створення термоядерної енергетики (як ефективне і великомасштабне джерело енергії для всього людства) завершиться успішно, але я особисто вважаю, що ймовірність успіху в цьому напрямку досить висока. З огляду на величезний потенціал термоядерних станцій можна вважати виправданими всі витрати на проекти їх швидкого (і навіть прискореного) розвитку, тим більше, що ці капіталовкладення виглядають дуже скромними на тлі жахливого за обсягом світового енергетичного ринку (4 трильйони доларів на рік). Забезпечення потреб людства енергії є дуже серйозною проблемою. У міру того, як викопне паливо стає все менш доступним (крім цього його використання стає небажаним), ситуація змінюється, і ми просто не можемо дозволити собі не розвивати термоядерну енергетику.»

На запитання "Коли з'явиться термоядерна енергетика?" Лев Арцимович (визнаний піонер та лідер досліджень у цій галузі) якось відповів, що «вона буде створена, коли стане справді необхідною людству». Можливо, цей час настав.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦІЇ

Федеральне агентство з освіти

ГОУ ВПО «Благовіщенський державний педагогічний університет»

Фізико-математичний факультет

Кафедра загальної фізики

Курсова робота

на тему: Проблеми термоядерного синтезу

з дисципліни: Фізика

Виконавець: В.С. Клетченка

Керівник: В.А. Євдокимова

Благовіщенськ 2010

Вступ

Термоядерні реакції та їх енергетична вигідність

Умови протікання термоядерних реакцій

Здійснення термоядерних реакцій у земних умовах

Основні проблеми, пов'язані із здійсненням термоядерних реакцій

Здійснення керованих термоядерних реакцій в установках типу «ТОКАМАК»

Проект ІТЕР

Сучасні дослідження плазми та термоядерних реакцій

Висновок

Література

Вступ

Нині людство неспроможна уявити своє життя без електроенергії. Вона скрізь. Але традиційні способи отримання електроенергії не дешеві: тільки уявити будівництво ГЕС або реактора АЕС, то відразу стає зрозуміло чому. Вчені 20-го століття, перед енергетичною кризою, знайшли спосіб отримання електроенергії з речовини, кількість якої не обмежена. Термоядерні реакції протікають при розпаді дейтерію та тритію. В одному літрі води міститься дейтерію стільки, що при термоядерному синтезі може виділитися стільки енергії, скільки виходить при спалюванні 350 літрів бензину. Тобто можна зробити висновок, що вода – це необмежене джерело енергії.

Якби отримання енергії за допомогою термоядерного синтезу було б настільки просто, як за допомогою ГЕС, то людство ніколи не зазнавало б кризи в енергетиці. Для отримання енергії у такий спосіб необхідна температура, еквівалентна температурі у центрі сонця. Де взяти таку температуру, як дорого коштуватимуть установки, наскільки вигідним є такий видобуток енергії і чи безпечна така установка? На ці питання буде дано відповідь у цій роботі.

Мета роботи: вивчення властивостей та проблем термоядерного синтезу.

Термоядерні реакції та їх енергетична вигідність

Термоядерна реакція - синтез більш важких атомних ядер із легших із єдиною метою отримання енергії, що має керований характер.

Відомо, що ядро ​​атома водню є протоном р. Такого водню дуже багато у природі – у повітрі та у воді. Крім цього, існують більш важкі ізотопи водню. Ядро однієї з них містить, крім протона р, ще й нейтрон n. Називається цей ізотоп дейтерієм D. Ядро іншого ізотопу містить, крім протону р два нейтрони n і називається тритерієм (тритієм) Т. Термоядерні реакції найбільш ефективно відбуваються при надвисоких температурах порядку 10 7 - 10 9 К. При термоядерних реакціях виділяється дуже велика енергія енергію, що виділяється при розподілі важких ядер. У реакції синтезу виділяється енергія, яка у розрахунку на 1кг речовини значно більша за енергію, що виділяється в реакції поділу урану. (Тут під енергією, що виділяється, розуміється кінетична енергія частинок, що утворюються в результаті реакції.) Наприклад, при реакції злиття ядер дейтерію 1 2 D і тритію 1 3 Т в ядро ​​гелію 2 4 Не:

1 2 D + 1 3 Т → 2 4 Не + 0 1 n,

Виділяється енергія, що дорівнює 3,5 МеВ на один нуклон. У реакціях поділу енергія однією нуклон становить близько 1 МеВ.

При синтезі ядра гелію із чотирьох протонів:

4 1 1 p→ 2 4 Не + 2 +1 1 е,

виділяється ще більша енергія, що дорівнює 6,7 МеВ на одну частинку. Енергетична вигідність термоядерних реакцій пояснюється тим, що питома енергія зв'язку в ядрі атома гелію значно перевищує питому енергію зв'язку ядер ізотопів водню. Таким чином, при вдалому здійсненні керованих термоядерних реакцій людство отримає нове потужне джерело енергії.

Умови протікання термоядерних реакцій

Для злиття легких ядер необхідно подолати потенційний бар'єр, зумовлений кулонівським відштовхуванням протонів в однойменно заряджених ядрах. Для злиття ядер водню 1 2 D їх треба зблизити на відстань r, що дорівнює приблизно r 3 10 -15 м. Для цього потрібно здійснити роботу, рівну електростатичної потенційної енергії відштовхування П=е 2: (4πε 0 r) ≈ 0,1 МеВ. Ядра дейтона зможуть подолати такий бар'єр, якщо при зіткненні їхня середня кінетична енергія 3/2 kT дорівнюватиме 0,1 МеВ. Це можливо при Т=2109К. Практично температура, необхідна для протікання термоядерних реакцій знижується на два порядки і становить 107К.

Температура порядку 107К характерна для центральної частини Сонця. Спектральний аналіз показав, що у речовині Сонця, як та багатьох інших зірок, є до 80% водню і близько 20% гелію. Вуглець, азот та кисень становлять не більше 1% маси зірок. При величезній масі Сонця (≈ 21027 кг) кількість цих газів досить велика.

Термоядерні реакції відбуваються на Сонці та зірках і є джерелом енергії, що забезпечує їхнє випромінювання. Щомиті Сонце випромінює енергію3,8 10 26 Дж, що відповідає зменшенню його маси на 4,3 млн. тонн. Питоме виділення енергії Сонця, тобто. виділення енергії, що припадає на одиницю маси Сонця за одну секунду, дорівнює 1,9 10 -4 Дж/с кг. Воно дуже мало і становить близько 10 -3% від питомого виділення енергії у живому організмі у процесі обміну речовин. Потужність випромінювання Сонця мало змінилася багато мільярдів років існування Сонячної системи.

Один із шляхів протікання термоядерних реакцій на Сонці - вуглецево-азотний цикл, в якому з'єднання ядер водню в ядро ​​гелію полегшується в присутності ядер вуглецю 6 12 С каталізаторів, що грають роль. На початку циклу швидкий протон проникає в ядро ​​атома вуглецю 6 12 і утворює нестійке ядро ​​ізотопу азоту 7 13 N з випромінюванням γ-кванта:

6 12 С + 1 1 p→ 7 13 N + γ.

З періодом напіврозпаду 14 хвилин у ядрі 7 13 N відбувається перетворення 1 1 p→ 0 1 n + +1 0 е + 0 0 ν е і утворюється ядро ​​ізотопу 6 13 С:

7 13 N→ 6 13 С + +1 0 е + 0 0 ν е.

приблизно через кожні 32 млн. років ядро ​​7 14 N захоплює протон і перетворюється на ядро ​​кисню 8 15

7 14 N+ 1 1 p→ 8 15 Про + γ.

Нестійке ядро ​​8 15 Про з періодом напіврозпаду 3 хвилини випускає позитрон і нейтрино і перетворюється на ядро ​​7 15 N:

8 15 О→ 7 15 N+ +1 0 е+ 0 0 ν е.

Цикл завершується реакцією поглинання ядром 7 15 N протону з розпадом його на ядро ​​вуглецю 6 12 С та α-частинку. Це відбувається приблизно за 100 тисяч років:

7 15 N+ 1 1 p→ 6 12 С + 2 4 Не.

Новий цикл починається знову з поглинанням вуглецем 612 З протона, що виходить в середньому через 13 мільйонів років. Окремі реакції циклу віддалені в часі проміжками, які за земними масштабами часу непомірно великими. Однак цикл є замкнутим і відбувається безперервно. Тому різні реакції циклу відбуваються на Сонці одночасно, розпочавшись у різні моменти часу.

В результаті цього циклу чотири протони зливаються в ядро ​​гелію з появою двох позитронів і γ-випромінювання. До цього слід додати випромінювання, що виникає при злитті позитронів з електронами плазми. При утворенні одного гамматома гелію виділяється 700 тисяч кВт год енергії. Ця кількість енергії компенсує втрати енергії Сонця на випромінювання. Розрахунки показують, що кількості водню, що є на Сонці, вистачить на підтримку термоядерних реакцій та випромінювання Сонця на мільярди років.

Здійснення термоядерних реакцій у земних умовах

Здійснення термоядерних реакцій у земних умовах створить величезні можливості отримання енергії. Наприклад, при використанні дейтерію, що міститься в одному літрі води, реакції термоядерного синтезу виділиться стільки ж енергії, скільки виділиться при згорянні приблизно 350 літрів бензину. Але якщо термоядерна реакція буде протікати мимовільно, то відбудеться колосальний вибух, оскільки енергія, що виділяється при цьому, дуже велика.

Умови, близькі до тих, що реалізуються в надрах Сонця, було здійснено у водневій бомбі. Там відбувається термоядерна реакція вибухового характеру, що самопідтримується. Вибухова речовина є суміш дейтерію 1 2 D з тритієм 1 3 Т. Висока температура, необхідна для протікання реакції, виходить за рахунок вибуху звичайної атомної бомби, вміщеної всередині термоядерної.

Основні проблеми, пов'язані із здійсненням термоядерних реакцій

У термоядерному реакторі реакція синтезу має відбуватися повільно, має бути можливість керувати нею. Вивчення реакцій, що відбуваються у високотемпературній дейтерієвій плазмі, є теоретичною основою отримання штучних керованих термоядерних реакцій. Основною труднощами є підтримання умов, необхідних для отримання термоядерної реакції, що самопідтримується. Для такої реакції необхідно, щоб швидкість виділення енергії в системі, де відбувається реакція, була не меншою, ніж швидкість відведення енергії від системи. При температурах порядку 10 8 К термоядерні реакції в дейтерієвій плазмі мають помітну інтенсивність і супроводжуються виділенням великої енергії. В одиниці об'єму плазми при з'єднанні ядер дейтерію виділяється потужність 3кВт/м3. При температурах порядку 10 6 К потужність становить лише 10 -17 Вт/м 3 .