Нерешенные проблемы термоядерного синтеза. Надежды и перспективы - Анатолий Цыцаркин

Нерешенные проблемы термоядерного синтеза. Надежды и перспективы

Страниц

10

Год

2024

Современная атомная энергетика сталкивается с проблемами чрезмерной неэффективности, так как её основы основаны практически исключительно на использовании изотопа урана-235. Это приводит к значительному сокращению доступных природных ресурсов ядерного топлива, исчерпывая их в десятки раз быстрее. Важным аспектом, ограничивающим развитие термоядерного синтеза, является низкий допустимый уровень концентрации дейтерия и трития в активной зоне токамака, который не превышает 70 Вт/м². Это обстоятельство делает данный подход нецелесообразным для генерации электрической энергии.

Также следует отметить, что экстремально высокая температура плазмы, достигающая примерно 100 миллионов градусов Кельвина, усложняет управление процессом, поскольку накапливающийся гелий угнетает саму реакцию синтеза. В условиях такого теплового окружения трудности вызывают поддержание стабильной концентрации реагентов, что дополнительно затрудняет процесс.

Для повышения эффективности термоядерного синтеза, где 80% выделяемой энергии связываются с сверхбыстрыми нейтронами, необходима интеграция с традиционными атомными реакторами. Это позволит осуществлять конверсию изотопа урана-238 в делящийся плутоний-239. Такой гибридный подход способен не только увеличить выход энергии, но и продлить срок службы ядерного топлива, минимизируя его расточительное использование.

Помимо этого, перспективы высокой плотности энергии термоядерного синтеза продолжают привлекать внимание ученых по всему миру, что может стать основой для будущих устойчивых источников энергии, способных решить проблемы изменения климата и глобального энергетического кризиса. Разработка новых технологий и материалов для токамаков и других термоядерных установок позволяет надеяться на более эффективные решения в этой области, что может измениться в ближайшие десятилетия.

Читать бесплатно онлайн Нерешенные проблемы термоядерного синтеза. Надежды и перспективы - Анатолий Цыцаркин



Введение.

Насущной проблемой человеческой цивилизации является энергетическая. Опора энергетики на углеводородное топливо чревато быстрым истощением практически невозобновляемых ресурсов.

В ближайшем будущем неуклонное снижение концентрации диоксида углерода в атмосфере создаст угрозу наступления ледникового периода и снижения урожайности сельскохозяйственных культур путем фотосинтеза. Это потребует нормированной подачи углекислого газа, который может быть получен сжигание углеводорода или энергозатратным извлечением из холодных океанических бассейнов.

Использование возобновляемых источников энергии, связанных с солнечной радиацией (непосредственный нагрев, ветровые установки и т.д.) только частично обеспечат проблемы энергосбережения.

Ядерная энергетика использует в качестве топлива делящийся изотоп урана с молекулярным весом 235 (>235U), содержание которого в природном уране составляет всего 0,7 % (остальное->238U).

При таком подходе ресурсов урана будет незначительно больше, чем нефти и газа (л.1).

Однако топливная база ядерной энергетики может быть расширена в 30-40 раз применением реакторов на быстрых нейтронах. В них >238U перерабатывается в новое делящееся под действием тепловых нейтронов вещество-плутоний (>239Рu), подобный по свойствам >235U.

Практически неисчерпаемым источником энергии мог бы стать термоядерный синтез, исследования в области которого продолжаются уже около 70 лет.

Автор выражает большую признательность генеральному директору НПК «Экология» Арсеньеву Д.В. и коллективу компании за всестороннюю поддержку.

Автор благодарен проф. Чиннову В. Ф. за плодотворное обсуждение некоторых вопросов физики высокотемпературной плазмы.


1.Перспективы управляемого термоядерного синтеза

Источником энергии звезд и Солнца являются реакции соединения ядер водорода (протонов), протекающих в центральной области. Этому способствуют высокая плотность (~100 г/см>3) и температура порядка 10 млн.К.

Реакции синтеза происходят последовательно: сначала с образованием преимущественно дейтерия, частично-трития, а затем ядер дейтерия с дейтерия, а также дейтериям с тритием. Продуктом синтеза является гелий, являющийся ингибитором реакций и отводимый из активной зоны по мере накопления.

Для образования ядра гелия из ядер дейтерия необходимо преодолеть силы электростатического (кулоновского) отталкивания между ними. Потреления энергия для этого соответствует по расчетным средней энергии частиц при температуре ~400 млн. К.

В соответствии с больцмановским распределением по энергиям лишь незначительная часть молекул при 10 млн. К. имеет энергию, сравнимую со средней для температуры 400 млн. К. Однако высокое давление в активной зоне (порядка 10>14 Па) эквивалентно повышению температуры примерно на 10 млн. К., что способствует ускорению реакций синтеза.

Шансы осуществить термоядерный синтез в земных условиях связаны с использованием дейтерия и трития. По оценочным данным для инициации этой реакции температура должна быть на уровне 100 млн. К.

На выходе образуется гелий (>4Не), нейтрон >1𝞟 и выделяется 17,6 МЭВ энергии:

None+ →+17,6 Мэв.>2D>3T>4Не+>1 𝞟

Около 80% энергии приходится на кинетическую энергию нейтрона, который приобретает скорость около 5 · 10>7 м/сек, остальное передается гелию, сообщая ему скорость примерно 1,3 ·10