Даулеткереева Д.Д. ОП-15

Перспективы и преимущества

Использования термоядерной энергии

Студенты: Алтыбай А.М. АТ-15-2

Даулеткереева Д.Д. ОП-15

Научный руководитель: профессор Жакупов Ш.Р.

Ключевые слова: токамак, термоядерный ситез.

В настоящее время одной из глобальных научно-технических проблем, стоящей перед человечеством является проблема обеспечения населения Земли энергоресурсами.

Многочисленные прогнозы и расчеты показывают, что потребление энергии человечеством растет быстрее, чем численность роста населения Земли (около 9-12 млрд. человек). Со среднего значения 2 кВт на душу населения в настоящее время оно возрастает до уровня 3 кВт к середине XXI века. Это означает, что суммарная энергия, вырабатываемая всеми видами источников, в течение года должна вырасти от ≈ 0, 4∙ Дж до 1∙ Дж.

Возможность обеспечения такого уровня энергопотребления современными источниками становится сложной проблемой.

Проблема поиска разумных и не грозящих тяжелыми последствиями путей развития энергетики - основная задача общества при разработке энергетической политики.

Природные источники энергии, в числе которых солнечное излучение, энергия ветра, морские приливы, биомасса и другие не могут покрыть заметную часть энергопотребления.

Из природных источников энергии (гидроэнергетика рек; энергия морских приливов и отливов, термальных вод, тепла морей и океанов, солнечного изучения; энергия ветра и биомассы) в качестве основы для глобальной энергетики может рассматриваться только солнечная энергетика. Рассчитывать на использование остальных видов источников энергии можно только в отдельных, наиболее пригодных для этого регионах.

В то же время, возможность использования солнечной энергетики в качестве базовой (т.е. способной к выработке энергии на уровне Дж) ограничивается очень низкой плотностью потока энергии и колебаниями ее в течение суток и времен года.

Минеральные источники энергии, такие как нефть, газ, уголь, исчерпаемы в исторически обозримое время. Кроме того, их широкое использование связано со значительными экологическими издержками.

В настоящее время 85% энергии, производимой в мире, получают при использовании угля, нефти и природного газа. В то же время, если оценить, например, издержки при работе угольной электростанции мощностью 1000 МВт (эл.) потребляется 2-3 млн. тонн угля в год, выделяется 200-250 тыс. тонн двуокиси (при 2, 5% содержании серы) и ≈ 100 тыс. тон окислов азота, а также, образуется 200-250 тыс. тонн золы, поэтому быстрый рост объемов потребления органического топлива и, как следствие, огромное выделение углекислого газа и большое количество образующихся вредных отходов катастрофически влияют на глобальный климат и окружающую среду.

В этой связи сейчас человечество стоит перед дилеммой: с одной стороны, без энергии нельзя обеспечить материальное благополучие людей, а с другой - сохранение существующих темпов увеличение потребления может привести к разрушению окружающей среды и, как следствие, к снижению жизненного уровня и даже к угрозе нашего существования.

Среди экологических проблем самой угрожающей является проблема глобального потепления. Углекислый газ, накапливающийся в атмосфере в результате сжигания ископаемого топлива, создает условия для возникновения парникового эффекта - изменения климата и др.

Поэтому в данное время на первый план выходит использование энергии, вырабатываемой при работе атомной электростанции (АЭС), т.е. энергии, получаемой при делении ядер тяжелых элементов урана и тория.

В ряде стран основную долю энергии производят атомные станции (АЭС). Например, в Японии – 40%, а во Франции – 80%, в России эта доля примерно ~ 17%.

По последним данным сейчас в мире функционируют 440 АЭС, рассматривается строительство еще 342 АЭС. В будущем для удовлетворения глобального спроса на энергию на Земле должны работать примерно 1400 АЭС и более.

Использование энергии деления ядер тяжелых элементов в мирных целях дает возможность частично преодолеть факт энергического кризиса, но полностью не решает проблему обеспечения человечества энергией. Это связано с несколькими причинами: во-первых, запасы урана и тория ограничены, во-вторых, при реакции деления тяжелых ядер получаются радиоактивные вредные побочные продукты, которые порождают трудно-решаемую проблему хранения этих радиоактивных отходов. Вместе с тем вероятность аварии на АЭС хоть минимальна, но существует. Кроме того, каждую АЭС после полного использования ее ресурсов необходимо законсервировать, на что расходуется немало средств.

Наиболее перспективным, с точки зрения обеспечения человечества энергией, является использования энергии управляемой термоядерной реакции при синтезе легких ядер, в основном изотопов водорода (дейтерий и тритий).

Напомним, что в основном, существует два способа извлечения энергии атомных ядер:

1) Деление ядер тяжелых элементов (урана и тория),

2) Синтез ядра легких элементов (дейтерия и трития)

Что же касается реакции синтеза легких ядер, то они были открыты в конце 40-х годов ХХ века немецким физиком Гансем Бете. Согласно ему на Солнце исходным веществом служат протоны, в результате ядерных реакций их синтеза образуется ядра гелия . Благодаря этим реакциям световую энергию дают большинство звезд, в частности, Солнце. Температура на поверхности Солнца около 6000 градусов, а - внутренних частей его около 30-40 миллионов градусов. При таких температурах реакции синтеза уже идут, хотя и довольно медленно. Исходного материала для ядерной реакции синтеза много и на Земле, так как в составе воды имеется водород. Для практического осуществления ядерных реакций синтеза используются легкие ядра: изотоп водорода ( – дейтерий, обозначается как Д; – тритий как Т), ядра гелия и лития. Запасов тяжелой воды, из которых добывается дейтерий, в мировом океане хватит на многие тысячелетия. В термоядерных реакторах синтез осуществляется с небольшим количеством топлива, что делает его практически безопасным. Он безотходен и минимально воздействует на окружающую среду.

Энергетические вопросы реакции синтеза

Условия, при которых происходит термоядерная реакция для получения полезной энергии, хорошо известны и надежно изучены. Таких реакций две. Их называют D + D - и D + T - реакциями. Первая них происходит при столкновениях дейтерия, вторая при столкновениях ядер дейтерия с ядром трития. В обоих случаях происходит выделение быстрых нейтронов, энергия которых может быть полезно использована.

Термоядерная реакция происходит в высокотемпературной плазме. Чтобы полученная от нейтронов энергия могла быть полезно использована, она должна быть больше той энергии, которая затрачивается для поддержания температуры плазмы, ~ К.