Извлечение ядерной энергии основано на том фундаментальном факте, что ядра химических элементов из середины таблицы Менделеева упакованы плотно, а по краям таблицы, т.е. самые лёгкие и самые тяжёлые ядра – менее плотно.
Наиболее плотно упакованы ядра железа и его соседи по периодической системе. Поэтому мы выигрываем энергию в двух случаях: когда мы делим тяжёлые ядра на более мелкие осколки, и когда мы склеиваем лёгкие ядра в более крупные.
Соответственно, энергию можно извлекать двумя способами: в ядерных реакциях деления тяжёлых элементов – урана, плутония, тория или в ядерных реакциях синтеза (слипания) лёгких элементов – водорода, лития, бериллия и их изотопов.
В природе, в естественных условиях реализуются оба типа реакций.
Реакции синтеза идут во всех звёздах, включая солнце, и являются практически единственным исходным источником энергии на Земле – если не непосредственно через солнечный свет, то опосредованно – через нефть, уголь, газ, воду и ветер.
Природная реакция деления имела место на Земле около 2-х миллиардов лет назад на территории нынешнего Габона в Африке: там случайно скопилось много урана в одном месте, и в течение 100 миллионов лет работал природный ядерный реактор! Потом концентрация урана уменьшилась, и природный реактор заглох.
В середине XX века человечество приступило к искусственному освоению гигантской энергии, заключённой в ядрах. Атомная бомба (урановая, плутониевая) «работает» на реакции деления, водородная бомба (которая вовсе не из водорода, но называется так) – на реакции синтеза. В бомбе реакции идут одно мгновение и носят взрывной характер.
Можно уменьшить интенсивность ядерных реакций, растянуть их во времени и использовать их разумно в качестве управляемого источника энергии. В мире построены многие сотни ядерных реакторов разного типа, где идут реакции деления, и «сжигаются» тяжёлые элементы – уран, торий или плутоний.
Возникла также задача сделать управляемой реакцию синтеза, чтобы и она служила источником энергии.
На осуществление управляемой реакции деления человечеству потребовалось лишь несколько лет. Однако управляемая реакция синтеза оказалась намного более трудной задачей, с которой до конца ещё не справились. Дело в том, что для того, чтобы два лёгких ядра, например, дейтерия и трития, могли слиться, им надо преодолеть большой потенциальный барьер.
Наиболее прямолинейный способ добиться этого – разогнать два лёгких ядра до высокой энергии, так чтобы они сами проскочили барьер. Это подразумевает, что смесь дейтерия и трития должна быть разогрета до очень высокой температуры – порядка 100 млн.
градусов! При такой температуре смесь, разумеется, ионизована, т.е. представляет собой плазму. Плазму удерживают в сосуде в форме бублика магнитным полем сложной конфигурации и разогревают. Эта установка, изобретение И.Е.Тамма, А.Д.Сахарова, Л.А.Арцимовича и др., называется «токамак».
Главная проблема здесь – добиться стабильности очень горячей плазмы, чтобы она не «высадилась на стенки» сосуда. Это требует больших размеров установки и соответственно очень сильных магнитных полей в большом объёме.
Принципиальных трудностей здесь почти нет, но есть множество технических проблем, которые пока не решены.
Недавно начали строить международную установку ИТЭР в районе Экс-ан-Прованса во Франции. В проекте активно участвует и Россия, внося 1/11 финансирования. К 2018 году международный токамак должен заработать и продемонстрировать принципиальную возможность генерации энергии за счёт термоядерной реакции синтеза
(1) 
МэВ,
где d – ядро дейтерия (один протон и один нейтрон), t – ядро трития (один протон и два нейтрона), He – ядро гелия (два протона и два нейтрона), n – нейтрон, рождающийся в результате реакции, а «17.6 МэВ» – энергия в мега-электрон-вольтах, выделяющаяся в единичной реакции. Эта энергия в десятки миллионов раз больше той, которая выделяется при химических реакциях, например при горении органического топлива.
Здесь «топливом», как мы видим, служит смесь дейтерия и трития. Дейтерий («тяжёлая вода») содержится в виде малой примеси в любой воде, и технически выделить его несложно. Запасы его, действительно, не ограничены. Тритий же в природе не встречается, так как он радиоактивен и распадается за 12 лет.
Стандартный способ получения трития – из лития путём бомбардировки его нейтронами. Предполагается, что в ИТЭРе будет нужна только малая «затравка» трития для запуска реакции, а дальше он будет нарабатываться сам собой за счёт бомбардировки нейтронами из реакции (1) литиевого «бланкета», т.е. «одеяла», оболочки токамака.
Поэтому фактически топливом служит литий. В земной коре его тоже много, но нельзя сказать, что лития неограниченное количество: если бы вся энергия в мире производилась сегодня за счёт реакции (1), разведанных месторождений необходимого для этого лития хватило бы на 1000 лет.
Примерно на столько же лет хватит разведанного урана и тория, если производить энергию в обычных ядерных котлах [1].
Так или иначе, самоподдерживающуюся термоядерную реакцию синтеза (1) на современном уровне науки и техники реализовать, по-видимому, можно, и есть надежда, что это будет успешно продемонстрировано лет через десять на установке ИТЭР.
Это очень интересный проект и в научном, и в технологическом плане, и хорошо, что наша страна участвует в нём.
Тем более, что это тот не слишком частый случай, когда Россия не только находится на мировом уровне, но во многом и задаёт этот мировой уровень.
Вопрос в другом – может ли «термояд» служить основой для промышленного получения «чистой» и «неограниченной» энергии, как утверждают энтузиасты проекта. Ответ, по-видимому, отрицательный, и вот почему.
- Дело в том, что нейтроны, образующиеся при синтезе (1), сами по себе гораздо ценнее, чем та энергия, которая при этом выделяется.
- Но чайники греть на нейтронах – разбой,
- И здесь мы дадим расточителям бой:
- Укроем активную зону
- Урановым бланкетом – вона!
(из «Баллады о мюонном катализе», Ю.Докшицер и Д.Дьяконов, 1978)
- Действительно, если обложить поверхность токамака толстым «бланкетом» из самого обыкновенного природного урана-238, то под действием быстрого нейтрона из реакции (1), ядро урана расщепляется с выделением дополнительной энергии около 200 МэВ. Обратим внимание на числа:
- — реакция синтеза (1) даёт энергию 17,6 МэВ в токомаке, плюс нейтрон
- — последующая реакция деления в урановом бланкете даёт около 200 МэВ.
- Таким образом, если уж мы построили сложную термоядерную установку, то сравнительно простая добавка к нему в виде уранового бланкета позволяет увеличить производство энергии в 12 раз!
Примечательно, что уран-238 в бланкете не обязан быть очень чистым или обогащённым: наоборот, годится и обеднённый уран, которого остаётся много в отвалах после обогащения, и даже отработанное ядерное топливо из обычных тепловых атомных станций. Вместо того, чтобы хоронить отработанное топливо, можно с большой пользой употребить его в урановом бланкете.
На самом деле, эффективность увеличивается ещё больше, если учесть, что быстрый нейтрон, попадая в урановый бланкет, вызывает много разнообразных реакций, в результате которых, помимо выделения 200 МэВ энергии, образуется ещё несколько ядер плутония. Таким образом, урановый бланкет служит ещё и мощным производителем нового ядерного топлива. Плутоний можно потом «сжечь» на обычной тепловой атомной станции, с эффективным выделением ещё примерно 340 МэВ на каждое ядро плутония.
Даже с учётом того, что один из дополнительных нейтронов надо использовать на воспроизводство топливного трития, добавление к токамаку уранового бланкета и нескольких обычных атомных станций, которые «питаются» плутонием из этого бланкета, позволяет увеличить энергоэффективность токамака по меньшей мере раз в двадцать пять [1], а по некоторым оценкам – в пятьдесят раз! Это всё – сравнительно простая и отработанная технология. Ясно, что ни один здравомыслящий человек, ни одно правительство, ни одна коммерческая организация не упустит такой возможности многократно повысить эффективность производства энергии.
Если дело дойдёт до промышленного производства, то термоядерный синтез на токомаке будет по существу всего лишь «затравкой», всего лишь источником драгоценных нейтронов, а 96% энергии всё равно будет производиться в реакциях деления, и основным топливом соответственно будет уран-238. «Чистого» термояда, таким образом, не будет никогда.
Более того, если наиболее сложная, дорогостоящая и наименее отработанная часть этой цепочки – термоядерный синтез – производит менее 4% от окончательной мощности, то возникает естественный вопрос, а нужно ли вообще это звено? Может быть, существуют более дешёвые и эффективные источники нейтронов?
- Возможно, что в недалёком будущем будет придумано что-то совсем новое, но уже сейчас имеются наработки, как вместо термояда использовать другие источники нейтронов, чтобы беспрепятственно «сжигать» природный уран-238 или торий. Имеются в виду
- — реакторы-размножители (бридеры) на быстрых нейтронах
- (2-ой пункт недавней саровской программы)
- — электроядерный бридинг
- — ядерный синтез при невысокой температуре с помощью мюонного катализа.
Каждый метод имеет свои сложности и свои достоинства, и каждый достоин отдельного рассказа. Отдельного разговора заслуживает также ядерный цикл, основанный на тории, что особенно актуально для нас, поскольку в России тория больше, чем урана.
Индия, где похожая ситуация, уже выбрала торий как основу своей будущей энергетики.
Многие люди и в нашей стране склоняются к тому, что ториевый цикл – наиболее экономичный и безопасный метод производства энергии практически в неограниченном количестве.
Сейчас Россия стоит на распутье: надо выбрать стратегию развития энергетики на много десятилетий вперёд. Для выбора оптимальной стратегии необходимо открытое и критическое обсуждение научным и инженерным сообществом всех аспектов программы.
Эта заметка посвящается памяти Юрия Викторовича Петрова (1928-2007), замечательного учёного и человека, доктора физ.-мат. наук, заведующего сектором Петербургского института ядерной физики РАН, который научил автора тому, что здесь написано.
*****
[1] Ю.В.Петров, Гибридные ядерные реакторы и мюонный катализ, в сборнике «Ядерная и термоядерная энергетика будущего», М., Энергоатомиздат (1987), с. 172.
[2] С.С.Герштейн, Ю.В.Петров и Л.И.Пономарёв, Мюонный катализ и ядерный бридинг, Успехи физических наук, т. 160, с. 3 (1990).
На снимке: Ю.В Петров (справа) и лауреат Нобелевской премии по физике Ж.‘т Хофт, фото Д.Дьяконова (1998).
Урок 23. проблема управляемого термоядерного синтеза и энергетика будущего — Естествознание — 11 класс — Российская электронная школа
- Естествознание, 11 класс
- Урок 23. Проблема управляемого термоядерного синтеза и энергетика будущего
- Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
- Каким образом была осуществлена неуправляемая и в чём сложность осуществления управляемой термоядерной реакции?
- Что представляет собой «горючее» для термоядерных реакций?
- Глоссарий по теме:
- Термоядерный синтез –процесс слияния лёгких атомных ядер, проходящий с выделением энергии при высоких температурах.
- Неуправляемая термоядерная реакция – на солнце, звёздах, при взрыве водородной бомбы.
Управляемая термоядерная реакция – с использованием плазмы. Пока не создана.
- Плазма – частично или полностью ионизированный газ.
- Изотопы – элементы с одинаковым атомным номером (числом протонов), но с различным массовым числом (числом нейтронов).
- Изотопы водорода – протий, дейтерий, тритий.
- Магнитная ловушка для плазмы – пространственная конфигурация магнитного поля для удержания плазмы в некотором объёме.
- Токамак – тип тороидальной магнитной ловушки.
- Основная и дополнительная литература по теме урока:
- Естествознание. 11 класс: Учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017 – §33, С. 106-109.
- Физика. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый уровень; профильный уровень/А.В. Грачев, В.А. Погожев, А.М. Салецкий и др.- Вентана-Граф, 2011
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Практическое использование ядерных реакций распада началось с пуска ядерного реактора, в котором воспроизводилась управляемая реакция. Лишь спустя три года появилась возможность провести ядерный взрыв – мощную неуправляемую реакцию ядерного распада.
Совершенно по-другому происходило (и происходит) освоение реакции ядерного синтеза.
Первая неуправляемая термоядерная реакция – взрыв водородной бомбы был произведен в 1952 г.
А вот управляемую реакцию термоядерного синтеза, в результате которой выделялась бы энергия, не удалось осуществить до сих пор. Осуществление управляемых термоядерных реакций даст человечеству новый экологически чистый и практически неисчерпаемый источник энергии.
Разберёмся с условиями. Необходимо создать высокие плотности и сверхвысокие температуры термоядерного горючего. В термоядерном реакторе реакция синтеза должна происходить медленно, должна быть возможность управлять ею.
- Термоядерные реакции происходят на солнце и других звёздах. Температура в центре солнца достигает 13 млн градусов, а плотность вещества 100г на 1см3
- Создать подобные внеземные условия пока удалось лишь при использовании самого мощного из доступных человеку средств – атомного взрыва.
- Рассмотрим, что же такое термоядерное горючее.
Существует множество различных реакций термоядерного синтеза, происходящих с выделением тепла. Однако, чем тяжелее ядра, тем большие у них силы отталкивания, а, следовательно, более высокие температуры необходимы для термоядерного синтеза.
- Поэтому в качестве возможных претендентов на термоядерное горючее рассматриваются самые легкие ядра – изотопы водорода, гелия и лития.
- Из курса физики и химии вам известны изотопы водорода: протий, дейтерий и тритий. Ядро первого не содержит нейтроны, в ядре второго 1 нейтрон, в ядре трития – 2 нейтрона
- Изотопы гелия могут содержать в ядре от двух до четырёх нейтронов.
- В настоящее время известно 9 изотопов лития.
- Одной из самых «низкотемпературных» является реакция синтеза дейтерия с тритием.
- 2H + 3H → 4He + n + 17,6 МэВ
- Недостатком данной реакции является в первую очередь то, что тритий радиоактивен с малым периодом полураспада, поэтому его мало в природе и нужна защита от радиации.
А вот дейтерия в природе много. И в связи с доступностью дейтерия рассматриваются также возможности использования реакции между двумя ядрами дейтерия, которая может идти по двум каналам.
- 2H + 2H → 3H + 1H + 4,0 МэВ
- 2H + 2H → 3He + n + 3,25 МэВ
- Продуктом первой реакции получается радиоактивный тритий, следовательно, остаётся проблема защиты от радиации.
- Наиболее приемлемая реакция с позиции радиоактивности — это синтез дейтерия с изотопом гелия-3.
- 2H + 3He → 4He + 1H + 18,3 МэВ
Как исходные продукты, так и продукты реакции не радиоактивны. Однако, лёгкого гелия в природе ничтожно мало.
- Имеются данные о том, что 3He достаточно много на Луне, уже появлялись сообщения о том, что оценивается возможность доставки его с Луны на Землю.
- Самая сложная проблема, которую нужно решить при конструировании термоядерного реактора, проблема удержания плотной горячей плазмы в течение достаточно длительного времени – порядка одной секунды.
- Любое вещество при температурах в десятки миллионов градусов превращается в плазму, поэтому каких-либо стенок для удержания термоядерного горючего создать невозможно.
- Выход нашли в использовании электромагнитного поля.
Заряженная частица, попадая в магнитное поле начинает двигаться под действием силы Лоренца по спирали, «накрученной» на линию магнитного поля. А поскольку линии магнитного поля всегда замкнуты, движение заряженной частицы становится ограниченным некоторой областью пространства.
Для создания магнитного поля могут использоваться электромагниты различной формы. В настоящее время существующие проекты предусматривают создание камеры для термоядерного горючего в виде тороида («бублика»). На поверхность тороида наматываются обмотки электромагнита. Создаваемое ими магнитное поле представляет собой замкнутые линии, проходящие внутри тороида.
Поскольку скорости частиц огромны, для их «закручивания» необходимы сильные поля, а значит большие токи. Чтобы избежать потерь энергии на нагрев проводов, предполагается использовать обмотки катушек из сверхпроводников, для чего их необходимо охлаждать до температур порядка десяти Кельвинов.
Таким образом, сверхвысокие температуры будут «соседствовать» со сверхнизкими.
Магнитные ловушки прекрасно удерживали бы заряженные частицы, если бы эти частицы не сталкивались между собой. В результате столкновений частицы уходят из ловушки, и пока еще проблема удержания до конца не решена.
Для её решения в настоящее время привлекаются самые современные технологии и объединяются усилия учёных разных стран.
Первую термоядерную электростанцию планируют построить во Франции. Особые надежды возлагают на реактор ITER, на создание которого затратили безумное количество средств. это международный проект по созданию экспериментального термоядерного реактора.
По прогнозам ученых, температура плазмы в камере ITER будет составлять около 150 миллионов градусов Цельсия. Российские ученые смоделировали поведение металла в термоядерном реакторе.
- Текст задания 1:
- Вставьте пропущенные слова: «Основной трудностью при создании ___________реакции термоядерного синтеза является удержание____________, нагретой до миллиарда градусов».
- Правильный вариант:
- Управляемой (контролируемой), плазмы.
- Текст задания 2:
- Решите кроссворд.
По горизонтали:
- Форма траектории заряженной частицы в магнитном поле.
- Явление самопроизвольного распада с испусканием частиц, которое испытывает тритий.
- Изотоп водорода с двумя нейтронами в ядре.
По вертикали:
- Самый лёгкий изотоп водорода.
- Что представляет собой неуправляемая термоядерная реакция?
Правильный вариант:
Проблемы термоядерной энергетики
Управляемая термоядерная реакция — заманчивая перспектива для физиков, заветная мечта энергетиков. Овладеть ею — значит одарить человечество неиссякаемым источником энергии.
Успешное решение проблемы позволит превращать энергию водорода в практически неограниченное количество электричества и тепла, не загрязняя атмосферу. Работы по термоядерному синтезу впервые в мире начались в СССР в 1950 г. под руководством И. В. Курчатова.
За четверть века была фактически создана новая область физики — физика высокотемпературной плазмы.
Если в обычной атомной энергетике применяют реакции деления ядер, при которых ядро делится на части нейтронами с освобождением огромной энергии и образованием новых нейтронов, поддерживающих реакции, то в термоядерной энергетике будет использоваться противоположный процесс — слияние легких ядер вместе с образованием более тяжелых. В качестве топлива здесь выступают ядра изотопов водорода, в первую очередь дейтерия.
Атомный вес водорода — 1. Тот же элемент, но с атомным весом в 2 раза больше, называется тяжелым водородом, или дейтерием. В термоядерной реакции участвуют дейтерий или тритий (водород с атомным весом 3).
Где взять дейтерий и тритий? Эта проблема легко разрешима. В морях и океанах содержится огромное количество дейтерия. Тритий получают из другого элемента — лития — в термоядерном реакторе.
Запасы его также практически неограниченны.
При ядерном слиянии 1 кг изотопов водорода выделяется в 10 млн. раз больше энергии, чем при сжигании одного килограмма угля. Реакции синтеза могут происходить только тогда, когда два ядра сближаются на расстоянии порядка 10-13 см.
Чтобы сближение произошло, положительно заряженные частицы должны преодолеть взаимное электростатическое отталкивание, т. е. обладать большой энергией.
Чтобы ядра обрели огромную кинетическую энергию и смогли соединиться друг с другом, необходимо нагреть вещество до чрезвычайно высокой температуры.
Термоядерная энергия — основа энергетики будущего, главное направление развития атомной техники на современном этапе.
В термоядерных реакциях происходит выделение энергии в процессе превращения водорода в гелий. Быстро протекающие термоядерные реакции осуществлены в нашей стране, в США и в Англии в водородных бомбах.
Сейчас перед наукой и техникой стоит задача осуществления термоядерной реакции не в виде взрыва, а в форме управляемого, спокойно протекающего процесса.
Решение этой задачи даст возможность использовать громадные запасы водорода на Земле в качестве ядерного топлива».
Что же происходит, когда разновидности водорода (дейтерий, тритий) на мгновение подвергаются очень сильному нагреву и огромному давлению? Связи между элементарными частицами нарушаются, атомные ядра теряют электронную оболочку, скорости движения частиц сильно повышаются, и ядра все больше преодолевают действующие между ними электрические (кулоновские) силы отталкивания. В этих условиях атомные ядра могут соединяться друг с другом, образуя ядра других химических элементов и высвобождая при этом огромную энергию.
Источником энергии термоядерного синтеза, как и энергии деления ядер, служит внутриядерная энергия.
Она выделяется в свободном виде в тех ядерных процессах, которые сопровождаются убылью общей массы участвующих в реакции ядер.
Количественной основой этого процесса служит закон эквивалентности энергии и массы: Е=mс2. По изменению массы покоя реагирующих ядер он позволяет определить количество выделенной энергии синтеза.
После первоначального разогрева плазма поддерживает и развивает реакцию уже как бы изнутри, за счет энергии, выделяющейся в результате синтеза ядер. В дальнейшем процесс идет самопроизвольно, автоматически, без притока энергии со стороны, подобно тому, как это происходит на Солнце и в звездах.
Наука еще не познала многого в природе явлений, происходящих на Солнце, но нет сомнений в том, что основной причиной выделения энергии Солнцем служат непрерывно протекающие на нем термоядерные процессы. Солнце можно уподобить гигантской термоядерной энергетической установке, безотказно действующей миллиарды лет.
Считается, что в звездах происходит термоядерный синтез двух циклов: углеродно-азотного (цикла Бете) и водородного (протонно-протонного) цикла. Источник энергии, который питает излучение звезд, есть и на Земле. Это внутриядерная энергия.
Нужно только научиться ее извлекать. Ученые считают, что эта задача не легче той, которую пришлось решать человеку каменного века, когда перед ним встала проблема получения огня из куска дерева, т. е.
, говоря современным языком, извлечения из него химической энергии.
К вопросу о том, как нагреть и удержать плазму — сырье термоядерного реактора, — сводится вся задача ближайшего этапа термоядерных исследований. Если тяжелые ядра находятся на грани самопроизвольного деления, то легкие оказывают сильное сопротивление слиянию.
Причина в том, что контакт между ними трудно осуществим: ядра имеют положительный заряд, вследствие чего они отталкиваются друг от друга.
Поэтому главная задача на пути осуществления термоядерной реакции состоит в том, чтобы преодолеть это сопротивление (кулоновский барьер), с большой скоростью сталкивая ядра между собой.
Для начала реакции плазма должна быть сжата до небольшого объема, однако при этом она не должна вступать в соприкосновение с обычным веществом во избежание мгновенного охлаждения.
Казалось, задача была бы невыполнима, если бы не одно свойство плазмы.
Оно заключается в том, что плазма состоит из движущихся электрически заряженных частиц и может быть ограничена в пространстве с помощью магнитных полей.
Однако если в центре Солнца огромное давление вышележащих слоев, стянутых силами гравитации, создает очень плотную плазму и не дает ей расширяться, что позволяет реакции протекать при температуре около 20 млн. градусов, то в земных условиях гравитационные силы слишком малы, чтобы сдержать плазму.
Единственный выход — сжать плазму магнитными силовыми линиями, причем как можно плотнее.
Но поскольку достигнуть такой же плотности частиц, которая существует на Солнце, все же, видимо, не удастся, температуру плазмы придется, по подсчетам теоретиков, поднимать выше солнечной, доводя ее почти до 100 млн. градусов. На пути создания звездного вещества — плазмы, т. е.
на пути овладения термоядерным синтезом, стоят многие трудности. Успешное разрешение этой величайшей проблемы, очевидно, во многом будет зависеть от новых открытий в области магнитной гидродинамики, физики плазмы и ядерной физики.
Никогда нельзя точно предсказать, как будет развиваться та или иная отрасль науки. Можно надеяться, что в недалеком будущем люди найдут до сих пор неизвестные способы управления термоядерным синтезом.
- 2.Проблемы, не дающие возможности осуществить проект термоядерной электростанции
- Проблема управляемого термоядерного синтеза — одна из важнейших задач,
- стоящих перед человечеством.
Человеческая цивилизация не может существовать, а тем более развиваться без энергии. Все хорошо понимают, что освоенные источники энергии, к сожалению, могут скоро истощиться. По данным Мирового энергетического совета, разведанных запасов углеводородного топлива на Земле осталось на 50-80 лет.
Сегодня основными источниками энергии служат нефть, газ и уголь.
По оценкам специалистов, запасы этих ископаемых на исходе. Почти не осталось разведанных, годных к освоению месторождений нефти и уже наши внуки могут столкнуться с очень серьезной проблемой нехватки энергии.
- Наиболее обеспеченные топливом атомные электростанции могли бы, конечно, еще не одну сотню лет снабжать человечество электроэнергией.
- Однако эксплуатация атомных электростанций, работающих за счет деления ядер урана, приводит к серьезным экологическим проблемам, огромное количество радиоактивных отходов — «долгожителей», остающихся после их работы, и опасность последствий в случае аварии изрядно ограничивают возможность всеобщего перехода на атомную энергетику.
- Единственный долгосрочный источник энергии — это ядерная энергия, которая выделяется в процессе деления или синтеза.
Процесс термоядерного синтеза в значительной степени свободен от недостатков, присущих процессу деления. В реакции синтеза не образуется долгоживущих радиоактивных изотопов, топливом для нее служат тяжелые изотопы водорода — дейтерий и тритий.
В литре обычной воды содержится примерно 0,03 г дейтерия, но в процессе его реакции выделяется столько же энергии, сколько при сгорании 300 литров бензина! Запасов дейтерия на Земле хватит, чтобы обеспечивать человечество энергией около миллиарда лет.
Немаловажно, что производство термоядерного топлива уже сегодня очень недорого: в нынешних условиях цена составила бы 1-2 копейки за киловатт электроэнергии и будет снижаться в дальнейшем.
Суммируя сказанное, можно сделать вывод: кто получит управляемую реакцию синтеза, тот практически полностью обеспечит себя энергией. И можно смело утверждать, что решение этой проблемы окупит все затраты.
Поэтому поиски альтернативных источников энергии идут особенно интенсивно.
Продолжающиеся уже 50 лет исследования в области управляемого термоядерного синтеза, судя по всему, перешли в стадию технически реализуемых изделий. Если верить мировым научным авторитетам, в ближайшие 50 лет на Земле должны появиться первые термоядерные электростанции, которые решат проблему безопасного и практически неисчерпаемого источника энергии.
| 3.Проблемы управления термоядерным синтезом (УТС) |
Исследователи всех развитых стран связывают надежды на преодоление грядущего энергетического кризиса с управляемой термоядерной реакцией.
Такая реакция — синтез гелия из дейтерия и трития — миллионы лет протекает на Солнце, а в земных условиях ее вот уже пятьдесят лет пытаются осуществить в гигантских и очень дорогих лазерных установках, токамаках и стеллараторах.
Однако, есть и другие пути решения этой непростой задачи, и вместо огромных токамаков для осуществления термоядерного синтеза можно будет, вероятно, использовать довольно компактный и недорогой коллайдер — ускоритель на встречных пучках.
Кроме слияния дейтерия и лития, возможен чисто солнечный термояд, когда
соединяются два атома дейтерия. В случае освоения этой реакции энергетические проблемы будут решены сразу и навсегда.
- Отличительной особенностью термояда является почти полная радиационная
- безопасность. Специалисты утверждают, что термоядерная электростанция с
- тепловой мощностью 1 ГВт в плане радиационной опасности эквивалентна
- урановому реактору деления мощностью 1 КВт — типичный университетский
исследовательский реактор. Это обстоятельство во многом является решающим фактором, вызывающим пристальное внимание правительств ведущих стран к термоядерной энергетике при тесном международном сотрудничестве в этой области. Создана специальная международная программа, призванная в ближайшем будущем избавить человечество от надвигающегося энергетического кризиса.