Инерциальное удержание
Задание 4
Основным источником электроэнергии в мире являются электростанции различного рода, например:
Гидроэлектростанции (ГЭС) -представляют собой специальные сооружения, возведённые в местах перекрытия больших рек плотиной и использующие энергию падающей воды для вращения турбин электрогенератора. Этот способ получения электроэнергии является наиболее экологичным, поскольку обходится без сжигания тех или иных видов топлива и не оставляет никаких вредных отходов после себя.
Тепловые электростанции (ТЭС),работающие на органическом топливе (уголь, мазут, газ, сланцы, торф), являются на сегодняосновным видом используемых в России энергопроизводителей.
Выбор места размещения тепловых электростанций определяется в основном наличием в данном регионе природных и топливных ресурсов. Мощные ТЭС строятся, как правило, в местах добычи топливных ресурсов или недалеко от крупных центров нефтеперерабатывающей промышленности. Тепловые электростанции, на которых в качестве топлива используются местные виды горючего (сланец, торф, низкокалорийные и многозольные угли), стараются размещать согласно потребности в электроэнергии и, в тоже время, с учётом наличия тех или иных видов топливных ресурсов.
Электростанции, работающие на высококалорийном топливе, доставка которого к месту использования экономически целесообразна, размещаются обычно с учётом потребительского спроса на электроэнергию.
Атомные электростанции (АЭС) - отличаются от тепловых лишь тем, что, если в ТЭС для нагрева воды и получения пара используется горючее топливо, то в АЭС источником нагрева воды служит энергия тепла, выделяемого в процессе ядерной реакции.
Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер плутония-239 или урана-235.
Плутоний в природе встречается в чрезвычайно малых количествах в урановых рудах. Радиогенный плутоний-239 образуется из урана-238 при захвате нейтронов, возникающих при спонтанном делении урана (235U и 238U) и в результате реакций (α, n) на лёгких элементах, входящих в состав руд; еще одним источником нейтронов является космическое излучение.
Уран является элементом с самым большим номером, из встречающихся в больших количествах. Содержание в земной коре составляет 0,0003 % (вес.), концентрация в морской воде — 3 мкг/л. В России до 80% урана добывают на предприятии Росатома - приаргунском производственном горно-химическом объединении в городе Краснокаменск. За 40 лет в этом месте было добыто более 120 000 тонн этого редкого металла.
Согласно теории относительности, масса представляет собой особую форму энергии, о чем и свидетельствует известная формула Эйнштейна E = mc2. Из нее следует возможность преобразования массы в энергию и энергии в массу. И такие реакции на внутриатомном уровне вещества реально имеют место. В частности, часть массы атомного ядра может превращаться в энергию, и происходит это двумя путями. Во-первых, крупное ядро может распасться на несколько мелких — такой процесс называется реакцией распада. Во-вторых, несколько более мелких ядер могут объединиться в одно более крупное — это так называемая реакция синтеза. Реакции ядерного синтеза во Вселенной распространены очень широко — достаточно упомянуть, что именно из них черпают энергию звезды. Ядерный распад сегодня служит одним из основных источников энергии для человечества — он используется на атомных электростанциях. И при реакции распада, и при реакции синтеза совокупная масса продуктов реакции меньше совокупной массы реагентов. Эта-то разница в массе и преобразуется в энергию по формуле E = mc2.
Распад
В природе уран встречается в форме нескольких изотопов, один из которых — уран-235 (235U) — самопроизвольно распадается с выделением энергии. В частности, при попадании достаточно быстрого нейтрона в ядро атома 235U последнее распадается на два крупных куска и ряд мелких частиц, включая, обычно, два или три нейтрона. Однако сложив массы крупных фрагментов и элементарных частиц, мы недосчитаемся определенной массы по сравнению с массой исходного ядра до его распада под воздействием удара нейтрона. Эта-то недостающая масса и выделяется в виде энергии, распределенной среди получившихся продуктов распада — прежде всего, кинетической энергии (энергии движения). Стремительно движущиеся частицы разлетаются от места распада и сталкиваются с другими частицами вещества, разогревая их.
Они представляют собой стремительно разлетающиеся от места распада частицы, при этом далеко они не улетают, врезаясь в соседние атомы вещества и разогревая их. Таким образом, энергия, порождаемая ядерным распадом, преобразуется в теплоту окружающего вещества.
В уране, добываемом из природной урановой руды, изотопа урана-235 содержится всего 0,7% от общей массы урана — остальные 99,3% приходятся на долю относительно устойчивого (слабо радиоактивного) изотопа 238U, который просто поглощает свободные нейтроны, не распадаясь под их воздействием. Поэтому для использования урана в качестве топлива в ядерных реакторах его нужно предварительно обогатить — то есть довести содержание радиоактивного изотопа 235U до уровня не менее 5%.
После этого уран-235 в составе обогащенного природного урана в атомном реакторе распадается под воздействием бомбардировки нейтронами. В результате из одного ядра 235U выделяется в среднем 2,5 новых нейтрона, каждый из которых вызывает распад еще 2,5 ядер, и запускается так называемая цепная реакция. Условием для продолжения незатухающей реакции распада урана-235 является превышение числа выделяемых распадающимися ядрами нейтронов числа нейтронов, покидающих урановый конгломерат; в этом случае реакция продолжается с выделением энергии.
В атомной бомбе реакция носит умышленно неконтролируемый характер, в результате чего за доли секунды распадается огромное число ядер 235U и выделяется колоссальная по своей разрушительности взрывная энергия. В атомных реакторах, используемых в энергетике, реакцию распада необходимо строго контролировать с целью дозирования выделяемой энергии. Хорошим поглотителем нейтронов является кадмий — его-то обычно и используют для управления интенсивностью распада в реакторах АЭС. Кадмиевые стержни погружают в активную зону реактора до уровня, необходимого для снижения скорости выделения свободной энергии до технологически разумных пределов, а в случае падения энерговыделения ниже необходимого уровня частично выводят стержни из активной зоны реакции, после чего реакция распада интенсифицируется до необходимого уровня. Выделившаяся тепловая энергия затем в обычном порядке (посредством турбогенераторов) преобразуется в электрическую.
Синтез
Термоядерный синтез — реакция прямо противоположная реакции распада по своей сути: более мелкие ядра объединяются в более крупные. Самая распространенная во Вселенной реакция вообще — это реакция термоядерного синтеза ядер гелия из ядер водорода: она непрерывно протекает в недрах практически всех видимых звезд. В чистом виде она выглядит так: четыре ядра водорода (протона) образуют атом гелия (2 протона + 2 нейтрона) с выделением ряда других частиц. Как и в случае реакции распада атомного ядра совокупная масса образовавшихся частиц оказывается меньше массы исходного продукта (водорода) — она и выделяется в виде кинетической энергии частиц-продуктов реакции, за счет чего звезды и разогреваются.
В недрах звезд реакция термоядерного синтеза происходит не единовременно (когда сталкиваются 4 протона), а в три этапа. Сначала из двух протонов образуется ядро дейтерия (один протон и один нейтрон). Затем, после попадания в ядро дейтерия еще одного протона, образуется гелий-3 (два протона и один нейтрон) плюс другие частицы. И наконец, два ядра гелия-3 сталкиваются, образуя гелий-4, два протона, а также другие частицы. Однако по совокупности эта трехэтапная реакция дает чистый эффект образования из четырех протонов ядра гелия-4 с выделением энергии, уносимой быстрыми частицами, прежде всего фотонами (см. Эволюция звезд).
Естественная реакция термоядерного синтеза происходит в звездах; искусственная — в водородной бомбе. Увы, человек до сих пор не сумел найти средств для того, чтобы направить термоядерный синтез в управляемое русло и научиться получать за счет него энергию для использования в мирных целях. Однако ученые не теряют надежды на достижение положительных результатов в области получения «мирной и дешевой» термоядерной энергии уже в обозримом будущем — для этого главное научиться удерживать высокотемпературную плазму либо посредством лазерных лучей, либо посредством сверхмощных тороидальных электромагнитных полей.
После открытия деления ядер атомов был открыт обратный процесс: ядерный синтез - когда легкие ядра соединяются в более тяжелые.
Процессы ядерного синтеза идут на Солнце - четыре изотопа водорода (водород-1) соединяются в гелий-4 с освобождением колоссального количества энергии.
На Земле в реакции синтеза используются изотопы водорода: дейтерий (водород-2) и тритий (водород-3):
31H + 21H → 42He + 10n
Ядерный синтез, как и деление ядер, не стал исключением. Первое практическое применение эта реакция получила в водородной бомбе, последствия взрыва которой были описаны ранее.
Если ученые уже научились управлять цепной реакцией деления ядер, то управление высвобождающейся энергией ядерного синтеза пока что еще несбыточная мечта.
Практическое применение расщепления ядерной энергии на АЭС имеет существенный недостаток - это утилизация отработанных ядерных отходов. Они радиоактивны, - предоставляют опасность живым организмам, а их период полураспада достаточно велик - несколько тысяч лет (в период этого времени радиоактивные отходы будут представлять опасность).
Ядерный синтез не имеет вредных отходов - это одно из главных преимуществ его использования. Решение проблемы управлением ядерным синтезом позволит получить неиссякаемый источник энергии.
В результате практического решения этой проблемы была создана установка ТОКАМАК.
Слово "ТОКАМАК" - по разным версиям это или сокращение слов ТОроидальная, КАмера, МАгнитные Катушки, или Приспособленное к легкому произношению сокращение от Тороидальная Камера с Магнитным Полем, которые описывают основные элементы этой магнитной ловушки, изобретенной А.Д. Сахаровым в 1950 г. Схема ТОКАМАКа показана на рисунке:
Магнитное удержание плазмы. Во время реакции синтеза плотность горячего реагента должна оставатьсяна уровне, который обеспечивал бы достаточно высокий выход полезной энергии на единицу объема придавлении, которое в состоянии выдержать камера с плазмой. Например, для смеси дейтерий - тритий притемпературе 108 К выход определяется выражением
<="" div="" style="padding: 0px; margin: 0px; border-style: none; cursor: default;">
Если принять P равным 100 Вт/см3 (что примерно соответствует энергии, выделяемой топливнымиэлементами в ядерных реакторах деления), то плотность n должна составлять ок. 1015 ядер/см3, асоответствующее давление nT - примерно 3 МПа. Время удержания при этом, согласно критерию Лоусона,должнобыть не менее 0,1 с. Для дейтерий-дейтериевой плазмы при температуре 109 К
<="" div="" style="padding: 0px; margin: 0px; border-style: none; cursor: default;">
В этом случае при P = 100 Вт/см3, n " 3Ч1015 ядер/см3 и давлении примерно 100 МПа требуемое времяудержания составит более 1 с. Заметим, что указанные плотности составляют лишь 0,0001 от плотностиатмосферного воздуха, так что камера реактора должна откачиваться до высокого вакуума. Приведенныевыше оценки времени удержания, температуры и плотности являются типичными минимальнымипараметрами, необходимыми для работы термоядерного реактора, причем легче они достигаются в случаедейтерий-тритиевой смеси. Что касается термоядерных реакций, протекающих при взрыве водороднойбомбы и в недрах звезд, то следует иметь в виду, что в силу совершенно иных условий в первом случае они протекают очень быстро, а во втором - крайне медленно по сравнению с процессами в термоядерномреакторе.
Плазма. При сильном нагреве газа его атомы частично или полностью теряют электроны, в результате чегообразуются положительно заряженные частицы, называемые ионами, и свободные электроны. Притемпературах более миллиона градусов газ, состоящий из легких элементов, полностью ионизуется, т.е.каждый его атом утрачивает все свои электроны. Газ в ионизованном состоянии называется плазмой (терминвведен И.Ленгмюром). Свойства плазмы существенно отличаются от свойств нейтрального газа. Поскольку вплазме присутствуют свободные электроны, плазма очень хорошо проводит электрический ток, причем еепроводимость пропорциональна T3/2. Плазму можно нагревать, пропуская через нее электрический ток.Проводимость водородной плазмы при 108 К такая же, как у меди при комнатной температуре. Очень великаи теплопроводность плазмы. Чтобы удержать плазму, например, при температуре 108 К, ее нужно надежнотермоизолировать. В принципе изолировать плазму от стенок камеры можно, поместив ее в сильноемагнитное поле. Это обеспечивается силами, которые возникают при взаимодействии токов с магнитнымполем в плазме. Под действием магнитного поля ионы и электроны движутся по спиралям вдоль его силовыхлиний. Переход с одной силовой линии на другую возможен при столкновениях частиц и при наложениипоперечного электрического поля. В отсутствие электрических полей высокотемпературная разреженнаяплазма, в которой столкновения происходят редко, будет лишь медленно диффундировать поперекмагнитных силовых линий. Если силовые линии магнитного поля замкнуть, придав им форму петли, точастицы плазмы будут двигаться вдоль этих линий, удерживаясь в области петли. Кроме такой замкнутоймагнитной конфигурации для удержания плазмы были предложены и открытые системы (с силовымилиниями поля, выходящими из торцов камеры наружу), в которых частицы остаются внутри камерыблагодаря ограничивающим движение частиц магнитным "пробкам". Магнитные пробки создаются у торцовкамеры, где в результате постепенного увеличения напряженности поля образуется сужающийся пучоксиловых линий. На практике осуществить магнитное удержание плазмы достаточно большой плотностиоказалось далеко не просто: в ней часто возникают магнитогидродинамические и кинетическиенеустойчивости. Магнитогидродинамические неустойчивости связаны с изгибами и изломами магнитныхсиловых линий. В этом случае плазма может начать перемещаться поперек магнитного поля в виде сгустков,за несколько миллионных долей секунды уйдет из зоны удержания и отдаст тепло стенкам камеры. Такиенеустойчивости можно подавить, придав магнитному полю определенную конфигурацию. Кинетическиенеустойчивости очень многообразны и изучены они менее детально. Среди них есть такие, которые срываютупорядоченные процессы, как, например, протекание через плазму постоянного электрического тока илипотока частиц. Другие кинетические неустойчивости вызывают более высокую скорость поперечнойдиффузии плазмы в магнитном поле, чем предсказываемая теорией столкновений для спокойной плазмы.
Во время реакции синтеза плотность горячего реагента должна оставаться на уровне, который обеспечивал бы достаточно высокий выход полезной энергии на единицу объема при давлении, которое в состоянии выдержать камера с плазмой. Например, для смеси дейтерий – тритий при температуре 108 К выход определяется выражением
Если принять P равным 100 Вт/см3 (что примерно соответствует энергии, выделяемой топливными элементами в ядерных реакторах деления), то плотность n должна составлять ок. 1015 ядер/см3, а соответствующее давление nT – примерно 3 МПа. Время удержания при этом, согласно критерию Лоусона, должно быть не менее 0,1 с. Для дейтерий-дейтериевой плазмы при температуре 109 К
В этом случае при P = 100 Вт/см3, n 31015 ядер/см3 и давлении примерно 100 МПа требуемое время удержания составит более 1 с. Заметим, что указанные плотности составляют лишь 0,0001 от плотности атмосферного воздуха, так что камера реактора должна откачиваться до высокого вакуума.
Инерциальное удержание
Теоретические расчеты показывают, что термоядерный синтез возможен и без применения магнитных ловушек. Для этого осуществляется быстрое сжатие специально приготовленной мишени (шарика из дейтерия радиусом ок. 1 мм) до столь высоких плотностей, что термоядерная реакция успевает завершиться прежде, чем произойдет испарение топливной мишени. Сжатие и нагрев до термоядерных температур можно производить сверхмощными лазерными импульсами, со всех
сторон равномерно и одновременно облучающими топливный шарик. При мгновенном испарении егоповерхностных слоев вылетающие частицы приобретают очень высокие скорости, и шарик оказывается поддействием больших сжимающих сил. Они аналогичны движущим ракету реактивным силам, с той лишьразницей, что здесь эти силы направлены внутрь, к центру мишени. Этим методом можно создать давленияпорядка 1011 МПа и плотности, в 10 000 раз превышающие плотность воды. При такой плотности почти вся термоядерная энергия высвободится в виде небольшого взрыва за время ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ
10-12 с. Происходящие микровзрывы, каждый из которых эквивалентен
1-2 кг тротила, не вызовут поврежденияреактора, а осуществление последовательности таких микровзрывов через короткие промежутки временипозволило бы реализовать практически непрерывное получение полезной энергии. Для инерциальногоудержания очень важно устройство топливной мишени. Мишень в виде концентрических сфер из тяжелого илегкого материалов позволит добиться максимально эффективного испарения частиц и, следовательно,наибольшего сжатия.
Расчеты показывают, что при энергии лазерного излучения порядка мегаджоуля (106 Дж) и кпд лазера неменее 10% производимая термоядерная энергия должна превышать энергию, израсходованную на накачкулазера. Термоядерные лазерные установки имеются в исследовательских лабораториях России, США,Западной Европы и Японии. В настоящее время изучается возможность использования вместо лазерноголуча пучка тяжелых ионов или сочетания такого пучка со световым лучом. Благодаря современной техникетакой способ инициирования реакции имеет преимущество перед лазерным, поскольку позволяет получитьбольше полезной энергии. Недостаток заключается в трудности фокусировки пучка на мишени.