Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»

Кафедра: АЭС

Отчет по научно-исследовательской работе

Термоядерный синтез

Орлов Д.Н.

Иваново 2020

Оглавление

• термоядерный реактор синтез

Введение

• 1. Общие сведения
• 2. Конструкции термоядерных реакторов
• 3. Необходимость осуществления управляемого термоядерного синтеза.
• 4. Почему же до сих пор не создан термоядерный реактор?
• 5. Экспериментальный реактор ИТЭР
• Вывод
• Библиографический список

• Введение
• В наше время прогрессивных цифровых технологий растет количество инновационных устройств, девайсов и технологических установок, повышающих качество и удобство жизни всех людей на Земле. С постоянным ростом количества устройств так же растет потребность людей в электроэнергии, которая питает их. В связи с этим существует потребность в поиске мощного и неиссякаемого источника энергии. В данной работе будет рассмотрено история развития термоядерного синтеза, конструкции термоядерных реакторов и их общий принцип действия, последствия развития данной технологии производства энергии, перспективы данной технологии в будущем.
• На данный момент суммарное конечное (полезное) потребление электроэнергии во всем мире (179 стран) за 2017 г. составляет 21168 млрд. кВт•ч, что в 2,1 раза больше чем в 1992 г. Мировое потребление энергии драматически возрастает, по прогнозу Международного агентства по энергетике (2006 год) мировое потребление энергии к 2030 году должно увеличиться на 50%. В настоящее время 80% потребляемой миром энергии создается за счет сжигания ископаемых природных топлив (нефть, уголь и газ), использование которых:
• а) потенциально несет опасность катастрофических экологических изменений;
• б) неизбежно должно когда-нибудь закончиться.
• По предварительным оценкам экспертов мировых запасов полезных горючих ископаемых осталось: угля - на 230 лет, нефть - 50 лет, природный газ - на 53 года. Стоит также учитывать, что данные ископаемые не возобновляемы. С 1954 г. большое распространение получили атомные станции, вырабатывающие чистую энергию, высвобождаемую при делении частиц, но запасы урана тоже ограничены в мире (по оценке природного урана осталось на 80 лет). Для развития, данного направлений энергетики, требуется разработка новых, нестандартные методы получения урана (например, из морской воды, что представляется наиболее доступным) или методов повторного обогащения топлива.
• Кроме постройки атомных станций в 50-е годы активно велась разработка управляемого термоядерного синтеза и зарождались идеи создания термоядерного реактора.


1. Общие сведения

Термоядерный синтез - это процесс слияния легких ядер в новые тяжелые ядра. Данное слияние влечет за собой выделение большого количества энергии.

Принцип действия термоядерного синтеза заключается в том, что из-за разности масс ядер производится большое количество энергии. Но преодолеть силу отталкивания двух ядер не так просто, поэтому такая реакция может происходить только при очень высоких температурах. От нагревания частицы превращаются в ионизированную плазму и начинают двигаются быстрее, преодолевая Кулоновские силы они сталкиваются и объединяются в одно ядро.

Управляемый термоядерный синтез возможен при одновременном выполнении двух условий:

· Скорость соударения ядер соответствует температуре плазмы:

T > 10⁸ K (для реакции D-T).

· Соблюдение критерий Лоусона:

nф > 10¹⁴ см^?3·с (для реакции D-T),

где n - плотность высокотемпературной плазмы, ф - время удержания плазмы в системе.

От значения этих двух критериев в основном зависит скорость протекания той или иной термоядерной реакции.

Для того, чтобы от атома оторвать все нейтроны и протоны - нужно затратить определенную энергию - энергию связи ядра. Из известной уже нам диаграммы удельной энергии (Рис. 1) связи мы знаем, что энергию возможно получить, разделяя тяжелые атомы или соединяя легкие.

Рис. 1 Диаграмма удельных энергий связи ядер

В зависимости от используемого топлива реакции термоядерного синтеза можно разделить на следующие виды:

Основные реакции

1) Реакция дейтерий + тритий (Топливо D-T)

Реакция осуществляется при низкой температуре, даёт большой выход энергии. Главным недостатком является высокая стоимость трития и большое нейтронное излучение.

2) Реакция дейтерий + гелий-3

²H + ³He = ⁴He + p + 18,4 MeV.

Реакция отличается высокой сложностью условий проведения реакции и самой высокой стоимостью изотопа ³He.

3) Реакция между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо)

Дополнительные реакции

4) «Безнейтронные» реакции

Данные реакции более безопасные, потому что почти не сопровождаются нейтронным излучением.

5) Реакции на лёгком водороде

p + p > ІD + e⁺ + н_e + 0,42 MeV.

Такая реакция подобна реакциям происходящих в звёздах, не воссоздаваема в земных условиях.

При делении одного атома урана235 выделяется 202,5 МэВ, что намного больше, чем при реакции синтеза из расчёта на 1 атом, но из расчёта на килограмм топлива термоядерное топливо даёт больше энергии.

2. Конструкции термоядерных реакторов

В 1950-е годы советскими учеными была предложена идея термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы (Токамак). Конструкция придуманного реактора представляла из себя тороидальную камеру с большими магнитными катушками, в котором плазма удерживается магнитным полем, создаваемого тороидальным и полоидальным током, протекающим по плазменному шнуру. Вначале пуска из камеры откачивается воздух, затем заполняется дейтерием и тритием. После заполнения в камере создаются вихревые поля, поддерживающие и разогревающие плазму топливо до температуры плазмы. Величина поля регулируется силой тока индуктора. Ток большой величины трудно поддерживать постоянно, поэтому все возможные термоядерные реакции на Земле протекают не больше долей секунд. Данный факт является главной проблемой, из-за которой Токамак не может быть использован для получения энергии из ТЯС (термоядерного синтеза) в промышленных масштабах. Внутренние стенки реактора сделаны из тугоплавкого вольфрама, но даже он не выдерживает нагрузки, создаваемую потоком плазмы, что приводит к еще одной проблеме разрушения и расплавления стенок. Несмотря на данные проблемы, данным тип реакторов получил широкой распространение в научной деятельности по изучению управляемого термоядерного синтеза. В данное время насчитывается как минимум 300 реакторов, расположенных в разных частях мира.

В настоящее время во Франции идет строительство международного экспериментального термоядерного реактора ITER (International Tokamak Experimental Reactor), который будет первым токамаком, способным «зажечь» плазму.

Также у токамаков имеются следующие проблемы (при их будущем промышленном использовании):

1. Нестабильность плазмы. Разряд норовит где-то становится тоньше, где-то - толще, вплоть до разрыва кольца (с прекращением тока) или касанием стенок. С проблемой боролись увеличением размеров камеры, добавлением полоидального магнитного поля (вокруг вертикальной оси камеры).

2. Тритий - дорог, и его нужно много для производства энергии.

3. Мощное нейтронное излучение: на ту же вырабатываемую мощность нейтронный поток в ~5-10 раз больше, чем у обычных ядерных реакторов, и сами нейтроны имеют намного большую энергию. Это значит, что если конструкцию реактора сделать из тех же материалов, то срок службы у нее будет 5 лет, а не 50 (как у обычных реакторов).

4. Поскольку плазма с огромной температурой теряет много энергии на излучение, а камера должна быть большой для обеспечения стабильности - минимальная мощность реактора получается большой, сотни мегаватт.

Стелларатор

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

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

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

Основным недостатком стеллараторов является их малоизученность в действии. Конструкция стелларатора оказалась настолько сложной, что уровень развития техники долгое время не позволял его построить. Изучение термоядерного синтеза на стеллараторах было заброшено, в то время, как на токамаках оно не останавливалось. Вероятно, по этой причине самый масштабный проект в данной области - ITER (ИТЭР) взял за свою основу токамак, а не стелларатор.

NIF

Уникальный комплекс National Ignition Facility - «Национальное Зажигательное Оборудование» в Ливерморской лаборатории имени Лоуренса (США) обеспечивает проведение экспериментов с инерционным термоядерным синтезом. Это - самая мощная лазерная система в мире и уникальный лабораторный комплекс. Установка позволяет осуществить термоядерный микровзрыв. Взрывы происходят в золотой камере, которая должна обеспечить равномерный нагрев термоядерной таблетки электромагнитной энергией, излучаемой стенками.

Через два входных отверстия внутренность золотой камеры освещают 192 ультрафиолетовых лазерных луча с общей мощностью до 500 Тераватт. В течении 3 - 5 наносекунд туда поступает 2 - 4 МДж энергии, которая должна переизлучаться стенками в рентгеновском диапазоне. Термоядерная таблетка содержит 15 микрограмм дейтерия и трития при температуре 18 К, а также закаченный во внутреннюю полость газ. Капсула имеет сферическую оболочку диаметром 2 мм. Ее аблирующее покрытие может быть выполнено из бериллия или имеет композитную структуру на основе полиэтилена. Оно поглощает до 100 КДж энергии, результатом чего является радиационная имплозия капсулы. Плотность вещества достигает 1000 г./куб. см, а температура дейтерий-тритиевой начинки поднимается до сотни миллионов градусов. После этого ей остается только одно. Взорваться, как термоядерная бомба или зажечься, как звезда - кому как больше нравится.

Расчетный выход микровзрыва может достигнуть 20 МДж, что эквивалентно 5 кг тротила. Формально будет иметь место эффективный, управляемый, инерционный, термоядерный синтез. Фактически, с учетом КПД лазерной системы не больше 1%, такая технология не приведет к практическому источнику энергии. Только для зарядки конденсаторов, питающих лазерные усилители, требуется 420 МДж. Но цель NIF - не производство электроэнергии, а фундаментальная наука.

Sandy Z-machine

Z-Машина представляет собой цилиндр диаметром 32 м и высотой 6 метров, в окружении 36 радиальных электрических проводников свыше 1 м в диаметре. В центре сосуда, который для изоляции заполнен деионизированной водой, расположена вакуумная камера, диаметром 3 метра. В камере находится так называемый Z-Pinch - специальное приспособление из 300 вольфрамовых параллельных проволок в направлении оси Z высотой 20 см. Толщина вольфрамовой проволоки 10 мкм - около 1/10 толщины человеческого волоса. В центре цилиндра из проволок располагается пластиковая ёмкость, наполненная смесью Дейтерия и трития. Чтобы стал возможен термоядерный синтез смесь должна быть быстро сжата и нагрета. Это можно обеспечить давлением электромагнитного излучения с помощью рентгеновской установки.

Для создания необходимого излучения, в течение очень короткого периода менее 100 наносекунд электрический ток силой тока 20 миллионов ампер направляется одновременно через все 36 радиальных проводников. Тонкие провода вольфрама в центре испаряются, превращаясь в очень горячий, ионизированный газ - плазму. Электрический импульс создаёт сильное магнитное поле в электропроводящей плазме при этом происходит сжимание и нагревание - так называемый Пинч-Эффект. При этом материал стенок окружающих цилиндр нагревается до температуры до нескольких миллиардов градусов Кельвина. Это ведёт к тому, что этот цилиндр в течение одного момента излучает интенсивный рентгеновский импульс с пиковой мощностью 290 ТВт. Когда этот импульс достигает капсулы с дейтерием и тритием, она по давлением излучения сжимается до доли от их первоначального размера, и нагревается. В течение нескольких наносекунд достигается мощность в 80 раз превышающая потребление энергии на всей земле.

Для сравнения, температура внутренних областей Солнца составляет примерно 15 млн градусов, а температура, которой удавалось достичь при экспериментах по термоядерному синтезу, не превышала 500 млн градусов. Удивительным является и то, что в ходе эксперимента выделилось больше энергии, чем было к нему подведено. Это позволяет предположить, что здесь начали действовать ранее неизвестные процессы генерации энергии. Но все это ждет своего окончательного объяснения.

Dense Plasma Focus - DPF - «схлопывает» бегущую по электродам плазму с получением гигантских температур. В марте 2012 на установке, действующей по этому принципу, была достигнута температура 1.8 млрд градусов.

Levitated Dipole - «вывернутый токамак», в центре вакуумной камеры висит торообразный сверхпроводящий магнит который и удерживает плазму. В такой схеме плазма обещает быть стабильной сама по себе. Но финансирования у проекта сейчас нет, похоже непосредственно реакцию синтеза на установке не проводили.

Farnsworth-Hirsch fusor Идея проста - размещаем две сферические сетки в вакуумной камере наполненной дейтерием, или дейтерий-тритиевой смесью, прикладываем между ними потенциал в 50-200 тысяч вольт. В электрическом поле атомы начинают летать вокруг центра камеры, иногда сталкиваясь между собой.

Выход нейтронов есть, но он довольно мал. Большие потери энергии на тормозное рентгеновское излучение, внутренняя сетка быстро раскаляется и испаряется от столкновений с атомами и электронами. Хотя конструкция интересна с академической точки зрения (собрать её может любой студент), КПД генерации нейтронов намного ниже линейных ускорителей.

Также в мире существуют такие механизмы проведения термоядерной реакции, как «холодный синтез» и мюонный катализ, но из-за малой изученности и сложности проведения они не используются.

Несмотря на большое количество установок, управляемый термоядерный синтез пока не осуществлён в промышленных масштабах. Наиболее трудная задача, стоящая на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза, заключается в изоляции плазмы от стенок реактора.

3. Необходимость осуществления управляемого термоядерного синтеза.

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). Для сравнения укажем, что количество угля, необходимого для обеспечения работы тепловой электростанции мощностью 1 гигаВатт (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 легко добывать из обычной воды, примерно в одной из каждых 3350 молекул обычной воды один из атомов водорода замещен дейтерием. Намного сложнее добыть тритий, но если удастся осуществить синтез, то он будет образовываться внутри реактора, что делает цикл синтеза почти замкнутым.

Мощность самой производительной в России Ленинградской АЭС составляет 4200 МВт. Расщепления радиоактивных материалов в четырёх энергоблоках достаточно, чтобы осветить огромную территорию. Средняя мощность Международного экспериментального термоядерного реактора (ITER), который строят во Франции, должна составить 500 МВт за один импульс, а пиковая мощность этого комплекса должна составить 1100 МВт - четверть мощности Ленинградской АЭС.

Введение термоядерных установок в промышленную эксплуатацию позволит:

Во-первых, после появления термоядерной энергии исчезнет проблема радиационной опасности объектов. Проще говоря, никакого «второго Чернобыля» или «Фукусимы» и близко произойти не сможет.

Во-вторых, развитие термоядерного синтеза позволит ликвидировать энергетический голод человечества. Если всё произойдёт именно так, как это себе представляют учёные, то дорогая электроэнергия исчезнет как таковая, а вслед за ней буквально всё - от производства продуктов питания до лекарств - должно упасть в цене. станет широкодоступным электротранспорт

4. Почему же до сих пор не создан термоядерный реактор?

Существуют три основные причины, первую из которых можно назвать внешней или общественной, а две остальные - внутренними, то есть обусловленными законами и условиями развития самой термоядерной энергетики.

1. Долгое время считалось, что проблема практического использования энергии термоядерного синтеза не требует срочных решений и действий, так как еще в 80-х годах прошлого столетия источники ископаемого топлива казались неистощимыми, а проблемы экологии и изменения климата не волновали общественность. В 1976 году Консультативный комитет по термоядерной энергии в Министерстве энергетики США попытался оценить сроки осуществления НИОКР и создания демонстрационной термоядерной энергетической установки при разных вариантах финансирования исследований. При этом обнаружилось, что объемы годичного финансирования исследований в данном направлении совершенно недостаточны, и при сохранении существующего уровня ассигнований создание термоядерных установок никогда не завершится успехом, поскольку выделяемые средства не соответствуют даже минимальному, критическому уровню.

2. Более серьезное препятствие на пути развития исследований в данной области состоит в том, что термоядерную установку обсуждаемого типа нельзя создать и продемонстрировать в малых размерах. Из представленных далее объяснений станет ясно, что 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.

3. Развитие термоядерной энергетики носило очень сложный характер, однако (несмотря на недостаточное финансирование и трудности выбора центров для создания установок JET и ITER) в последние годы наблюдается явный прогресс, хотя действующая станция еще не создана.

5. Экспериментальный реактор ИТЭР

ИТЭР - это международный проект по исследованию термоядерного синтеза.

Уже упомянутый экспериментальный термоядерный реактор ITER сооружается вблизи города Кадараш во Франции. Главная задача проекта ИТЭР - осуществление управляемой термоядерной реакции синтеза в промышленных масштабах.

На единицу веса термоядерного топлива получается примерно в 10 миллионов раз больше энергии, чем при сгорании такого же количества органического топлива, и примерно в сто раз больше, чем при расщеплении ядер урана в реакторах ныне действующих АЭС. Если расчеты ученых и конструкторов оправдаются, это даст человечеству неисчерпаемый источник энергии.

В разработке реактора принимают участие следующие страны: Россия, Индия, Китай, Корея, Казахстан, США, Канада, Япония, страны Евросоюза.

ИТЭР представляет из себя установку, создающую условия для синтеза атомов водорода и трития (изотопа водорода), в результате чего образуется новый атом - атом гелия. Этот процесс сопровождается громадным выплеском энергии: температура плазмы, в которой идет термоядерная реакция - около 150 млн градусов по Цельсию (для сравнения - температура ядра Солнца 40 млн градусов). При этом изотопы выгорают, практически не оставляя радиоактивных отходов.

Реактор, основанный на принципе термоядерного синтеза, не имеет радиоактивного излучения и полностью безопасен для окружающей среды. Он может быть расположен практически в любой точке земного шара, а топливом для него служит обычная вода.

Вывод

Термоядерный синтез является одним из перспективных направлений развития мировой энергетики. Технология синтеза может обеспечить все человечество почти неисчерпаемым количеством энергии. Осуществление синтеза даст толчок развития всех сфер научной деятельности, поможет избежать энергетического кризиса.

Библиографический список

1. Гигантский Термоядерный Реактор «ИТЭР» Энергия будущего // Яндекс Дзен: [сайт]. - 2019. - URL: https://zen.yandex.ru/media/slyadnevscience/gigantskii-termoiadernyi-reaktor-iter-energiia-buduscego-5d92479d7cccba00b00c2ea4 (дата обращения: 20.12.2020).

2. Разжечь Солнце на Земле. Россия первой запустит полноценный термоядерный реактор // «Life.ru» - информационный портал: [сайт]. - 2019. - URL: https://life.ru/p/1220245 (дата обращения: 21.12.2020).

3. Термоядерный реактор ITER // masterok.livejournal.com: [сайт]. - 2012. - URL: https://yandex.ru/turbo/masterok.livejournal.com/s/207862.html (дата обращения: 19.12.2020).

4. Термоядерный синтез - энергия будущего // Sci-news: [сайт]. - 2019. - URL: https://sci-news.ru/2019/termojadernyj-sintez-jenergija-budushhego/ (дата обращения: 22.12.2020).

5. Термоядерная энергетика: надежда человечества? // Хабрахабр - социальные СМИ об IT: [сайт]. - 2013. - URL: https://habr.com/ru/post/167523/ (дата обращения: 22.12.2020).

Размещено на Allbest.ru