На пути к термоядерной энергетике (часть 4)
Продолжаю выкладывание отрывков из проспекта к лекции К. Ллевеллина-Смита "На пути к термоядерной энергетике". Начало тут:
http://vorona-n.livejournal.com/80898.html
http://vorona-n.livejournal.com/81169.html
http://vorona-n.livejournal.com/81666.html
Что в этот раз: сперва - некоторые технические подробности, касающиеся устройства термоядерных электростанций, затем - описание их преимуществ. Необходимое замечание: запостить "рис. 1" у меня не было возможности, так что заместо него будет близкая по смыслу картинка, найденная на просторах интернета. Пусть она внешне и похуже, но смысл иллюстрирует.
Термоядерные электростанции
На рис. 1 представлена принципиальная схема (без соблюдения масштаба) устройства и принципа работы термоядерной электростанции. В центральной части располагается тороидальная (в форме бублика) камера объёмом ~2000 м3, заполненная тритий-дейтериевой (T-D) плазмой, нагретой до температуры выше 100 млн. 0C. Образующиеся при реакции синтеза нейтроны покидают "магнитную бутылку" и попадают в показанную на рисунке оболочку с толщиной около 1 м.
Внутри оболочки нейтроны сталкиваются с атомами лития, в результате чего происходит реакция с образованием трития:
нейтрон + литий => гелий + тритий
Кроме этого, в системе происходят и конкурирующие реакции (без образования трития), а также много реакций с выделением дополнительных нейтронов, которые затем также приводят к образованию трития (при этом выделение дополнительных нейтронов может быть существенно усилено, например, за счёт введения в оболочку атомов бериллия и свинца). Общий вывод состоит в том, что в этой установке может (по крайней мере, теоретически) происходить реакция ядерного синтеза, при которой будет образовываться тритий. При этом количество образующегося трития должно не только обеспечивать потребности самой установки, но и быть даже несколько большим, что позволит обеспечивать тритием и новые установки. Именно эта концепция работы должна быть проверена и реализована на описываемом ниже реакторе ITER.
Кроме этого, нейтроны должны разогревать оболочку в так называемых пилотных установках (в которых будут использоваться относительно "обычные" конструкционные материалы) примерно до температуры 400 0C.
В дальнейшем предполагается создать усовершенствованные установки с температурой нагрева оболочки выше 1000 0C, что может быть достигнуто за счёт использования новейших высокопрочных материалов (типа композитов из карбида кремния). Выделяющееся в оболочке тепло, как и в обычных станциях, отбирается первичным охлаждающим контуром с теплоносителем (содержащим, например, воду или гелий) и передаётся на вторичный контур, где и производится водяной пар, подающийся на турбины.
Зачем нам это надо?
Основное преимущество ядерного синтеза состоит в том, что в качестве топлива для него требуется лишь очень небольшое количество весьма распространённых в природе веществ (ряд других преимуществ будет рассмотрен ниже).
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 скажем, 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 является устойчивым изотопом водорода; примерно в одной из каждых 3350 молекул обычной воды один из атомов водорода замещён дейтерием (наследие, доставшееся нам от Большого взрыва). Этот факт позволяет легко организовать достаточно дешёвое получение необходимого количества дейтерия из воды. Более сложным является получение трития, который является нестабильным (период полураспада около 12 лет, вследствие чего его содержание в природе ничтожно), однако, как было показано выше, тритий будет возникать прямо внутри термоядерной установки в процессе работы, за счёт реакции нейтронов с литием.
Таким образом, исходным топливом для термоядерного реактора являются литий и вода. Литий представляет собой обычный металл, широко используемый в бытовых приборах (в батарейках для мобильных телефонов и т.п.). Описанная выше установка, даже с учётом неидеальной эффективности, сможет производить 200 000 кВт-час электрической энергии, что эквивалентно энергии, содержащейся в 70 тоннах угля. Требуемое для этого количество лития содержится в одной батарейке для компьютера, а количество дейтерия - в 45 литрах воды. Указанная выше величина соответствует современному потреблению электроэнергии (в пересчёте на одного человека) в странах ЕС за 30 лет. Сам факт, что столь ничтожное количество лития может обеспечить выработку такого количества электроэнергии (без выбросов CO2 и без малейшего загрязнения атмосферы), является достаточно серьёзным аргументом для быстрейшего и энергичного развития термоядерной энергетики (несмотря на все сложности и проблемы) и даже без 100%-ой уверенности в успехе таких исследований. [Выделено в исходном тексте - V.]
Дейтерия должно хватить на миллионы лет, а запасы легко добываемого лития вполне достаточны для обеспечения потребностей в течение сотен лет. Даже если запасы лития в горных породах иссякнут, мы можем добывать его из воды, где он содержится в достаточно высокой концентрации (в 100 раз превосходящей концентрацию урана), чтобы его добыча была экономически целесообразной.
Термоядерная энергетика не только обещает человечеству в принципе возможность производства огромного количества энергии в будущем (без выбросов CO2 и без загрязнения атмосферы), но и обладает рядом других достоинств, перечисленных ниже.
1. Высокая внутренняя безопасность.
Используемая в термоядерных установках плазма имеет очень низкую плотность (примерно в миллион раз ниже плотности атмосферы), вследствие чего рабочая среда установок никогда не будет содержать в себе энергии, достаточной для возникновения серьёзных происшествий или аварий. Кроме того, загрузка топливом должна производиться непрерывно, что позволяет легко останавливать её работу, не говоря уже о том, что в случае аварии и резкого изменения условий окружения термоядерное "пламя" должно просто погаснуть.
В чём состоят связанные с термоядерной энергетикой опасности? Во-первых, стоит отметить, что хотя продукты синтеза (гелий и нейтроны) не являются радиоактивными, оболочка реактора при длительном нейтронном облучении может стать радиоактивной. [Вообще-то свободный нейтрон бета-радиоактивен, ибо распадается на протон и электрон; период полураспада - что-то около 10 мин. - V.] Однако при подборе для оболочки материалов с заданными свойствами можно обеспечить распад радиоактивных продуктов с периодом полураспада порядка 10 лет, а полная замена всех компонентов могла бы занять 100 лет. В случае полного отказа контура охлаждения радиоактивность стенок будет продолжать выделять тепло, но максимальная температура будет значительно ниже того значения, при котором установка расплавится.
Во-вторых, тритий является радиоактивным и имеет относительно небольшой период полураспада (12 лет). Но хотя объём используемой плазмы значителен, из-за её низкой плотности там содержится лишь очень небольшое количество трития (общим весом примерно как десять почтовых марок). Поэтому даже при самых тяжёлых ситуациях и авариях (полное разрушение оболочки и выделение всего содержащегося в ней трития, например, при землетрясении и падении самолёта на станцию) в окружающую среду поступит лишь незначительное количество топлива, что не потребует эвакуации населения из близлежащих населённых пунктов.
2. Стоимость энергии.
Ожидается, что так называемая "внутренняя" цена получаемой электроэнергии (стоимость самого производства) станет приемлемой, если будет составлять 75% от уже существующей на рынке цены. Эта проблема, однако требует серьёзного обсуждения, поэтому вопросы ценообразования рассматриваются ниже отдельно. "Приемлемость" в данном случае означает, что цена будет ниже цены энергии, получаемой с использованием старых, углеводородных топлив. "Внешняя цена" (побочные эффекты, воздействие на здоровье населения, климат, экологию и т.п.) будет, по существу, равной нулю.
http://vorona-n.livejournal.com/80898.html
http://vorona-n.livejournal.com/81169.html
http://vorona-n.livejournal.com/81666.html
Что в этот раз: сперва - некоторые технические подробности, касающиеся устройства термоядерных электростанций, затем - описание их преимуществ. Необходимое замечание: запостить "рис. 1" у меня не было возможности, так что заместо него будет близкая по смыслу картинка, найденная на просторах интернета. Пусть она внешне и похуже, но смысл иллюстрирует.
Термоядерные электростанции
На рис. 1 представлена принципиальная схема (без соблюдения масштаба) устройства и принципа работы термоядерной электростанции. В центральной части располагается тороидальная (в форме бублика) камера объёмом ~2000 м3, заполненная тритий-дейтериевой (T-D) плазмой, нагретой до температуры выше 100 млн. 0C. Образующиеся при реакции синтеза нейтроны покидают "магнитную бутылку" и попадают в показанную на рисунке оболочку с толщиной около 1 м.
Внутри оболочки нейтроны сталкиваются с атомами лития, в результате чего происходит реакция с образованием трития:
нейтрон + литий => гелий + тритий
Кроме этого, в системе происходят и конкурирующие реакции (без образования трития), а также много реакций с выделением дополнительных нейтронов, которые затем также приводят к образованию трития (при этом выделение дополнительных нейтронов может быть существенно усилено, например, за счёт введения в оболочку атомов бериллия и свинца). Общий вывод состоит в том, что в этой установке может (по крайней мере, теоретически) происходить реакция ядерного синтеза, при которой будет образовываться тритий. При этом количество образующегося трития должно не только обеспечивать потребности самой установки, но и быть даже несколько большим, что позволит обеспечивать тритием и новые установки. Именно эта концепция работы должна быть проверена и реализована на описываемом ниже реакторе ITER.
Кроме этого, нейтроны должны разогревать оболочку в так называемых пилотных установках (в которых будут использоваться относительно "обычные" конструкционные материалы) примерно до температуры 400 0C.
В дальнейшем предполагается создать усовершенствованные установки с температурой нагрева оболочки выше 1000 0C, что может быть достигнуто за счёт использования новейших высокопрочных материалов (типа композитов из карбида кремния). Выделяющееся в оболочке тепло, как и в обычных станциях, отбирается первичным охлаждающим контуром с теплоносителем (содержащим, например, воду или гелий) и передаётся на вторичный контур, где и производится водяной пар, подающийся на турбины.
Зачем нам это надо?
Основное преимущество ядерного синтеза состоит в том, что в качестве топлива для него требуется лишь очень небольшое количество весьма распространённых в природе веществ (ряд других преимуществ будет рассмотрен ниже).
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 скажем, 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 является устойчивым изотопом водорода; примерно в одной из каждых 3350 молекул обычной воды один из атомов водорода замещён дейтерием (наследие, доставшееся нам от Большого взрыва). Этот факт позволяет легко организовать достаточно дешёвое получение необходимого количества дейтерия из воды. Более сложным является получение трития, который является нестабильным (период полураспада около 12 лет, вследствие чего его содержание в природе ничтожно), однако, как было показано выше, тритий будет возникать прямо внутри термоядерной установки в процессе работы, за счёт реакции нейтронов с литием.
Таким образом, исходным топливом для термоядерного реактора являются литий и вода. Литий представляет собой обычный металл, широко используемый в бытовых приборах (в батарейках для мобильных телефонов и т.п.). Описанная выше установка, даже с учётом неидеальной эффективности, сможет производить 200 000 кВт-час электрической энергии, что эквивалентно энергии, содержащейся в 70 тоннах угля. Требуемое для этого количество лития содержится в одной батарейке для компьютера, а количество дейтерия - в 45 литрах воды. Указанная выше величина соответствует современному потреблению электроэнергии (в пересчёте на одного человека) в странах ЕС за 30 лет. Сам факт, что столь ничтожное количество лития может обеспечить выработку такого количества электроэнергии (без выбросов CO2 и без малейшего загрязнения атмосферы), является достаточно серьёзным аргументом для быстрейшего и энергичного развития термоядерной энергетики (несмотря на все сложности и проблемы) и даже без 100%-ой уверенности в успехе таких исследований. [Выделено в исходном тексте - V.]
Дейтерия должно хватить на миллионы лет, а запасы легко добываемого лития вполне достаточны для обеспечения потребностей в течение сотен лет. Даже если запасы лития в горных породах иссякнут, мы можем добывать его из воды, где он содержится в достаточно высокой концентрации (в 100 раз превосходящей концентрацию урана), чтобы его добыча была экономически целесообразной.
Термоядерная энергетика не только обещает человечеству в принципе возможность производства огромного количества энергии в будущем (без выбросов CO2 и без загрязнения атмосферы), но и обладает рядом других достоинств, перечисленных ниже.
1. Высокая внутренняя безопасность.
Используемая в термоядерных установках плазма имеет очень низкую плотность (примерно в миллион раз ниже плотности атмосферы), вследствие чего рабочая среда установок никогда не будет содержать в себе энергии, достаточной для возникновения серьёзных происшествий или аварий. Кроме того, загрузка топливом должна производиться непрерывно, что позволяет легко останавливать её работу, не говоря уже о том, что в случае аварии и резкого изменения условий окружения термоядерное "пламя" должно просто погаснуть.
В чём состоят связанные с термоядерной энергетикой опасности? Во-первых, стоит отметить, что хотя продукты синтеза (гелий и нейтроны) не являются радиоактивными, оболочка реактора при длительном нейтронном облучении может стать радиоактивной. [Вообще-то свободный нейтрон бета-радиоактивен, ибо распадается на протон и электрон; период полураспада - что-то около 10 мин. - V.] Однако при подборе для оболочки материалов с заданными свойствами можно обеспечить распад радиоактивных продуктов с периодом полураспада порядка 10 лет, а полная замена всех компонентов могла бы занять 100 лет. В случае полного отказа контура охлаждения радиоактивность стенок будет продолжать выделять тепло, но максимальная температура будет значительно ниже того значения, при котором установка расплавится.
Во-вторых, тритий является радиоактивным и имеет относительно небольшой период полураспада (12 лет). Но хотя объём используемой плазмы значителен, из-за её низкой плотности там содержится лишь очень небольшое количество трития (общим весом примерно как десять почтовых марок). Поэтому даже при самых тяжёлых ситуациях и авариях (полное разрушение оболочки и выделение всего содержащегося в ней трития, например, при землетрясении и падении самолёта на станцию) в окружающую среду поступит лишь незначительное количество топлива, что не потребует эвакуации населения из близлежащих населённых пунктов.
2. Стоимость энергии.
Ожидается, что так называемая "внутренняя" цена получаемой электроэнергии (стоимость самого производства) станет приемлемой, если будет составлять 75% от уже существующей на рынке цены. Эта проблема, однако требует серьёзного обсуждения, поэтому вопросы ценообразования рассматриваются ниже отдельно. "Приемлемость" в данном случае означает, что цена будет ниже цены энергии, получаемой с использованием старых, углеводородных топлив. "Внешняя цена" (побочные эффекты, воздействие на здоровье населения, климат, экологию и т.п.) будет, по существу, равной нулю.