No Image

Термоядерная энергетика плюсы и минусы

СОДЕРЖАНИЕ
0 просмотров
10 марта 2020

Больше 80 лет учёные работают над перспективами внедрения термоядерной генерации электроэнергии. Создано множество научных организаций и исследовательских реакторов во всём мире. Многие сообщения о разработках публикуются в оптимистичных тонах. Но на самом деле, существует несколько очень серьёзных проблем, которые требуют инновационных технических решений. Человечество все ещё не смогло отказаться от сжигания нефтепродуктов и сравнительно молодой, но достаточно обременяющей технологии традиционной добычи атомной энергии. Много хлопот доставляют отходы от использования радиационно-ядерных технологий, потому что методы обращения с такими отходами очень дорогостоящие и несовершенны. Несмотря на то, что наука постоянно идёт вперёд, радиоактивные отходы останутся проблемой человечества на столетия.

Теория

Для понимания сути технологии термоядерного синтеза, которая позволяет более экологически и экономно производить энергию, необходимо ознакомиться с некоторыми базовыми понятиями.

В состав ядра атома (в первом приближении) входят протоны и нейтроны (общее название нуклоны). Энергия связи у лёгких ядер увеличивается с повышением количества нуклонов, а у тяжёлых – уменьшается. При добавлении нуклонов в лёгкие ядра или при удалении нуклонов из тяжелых, разница в энергии связи высвободится как разность между затратами на протекание реакции и кинетической энергией освобождённых частиц. Кинетическая энергия элементарных частиц преобразуется в тепловое перемещение атомов. Из-за такого движения (с соударениями и торможением частиц), энергия проявится повышением температуры, а именно, нагревом среды, где проходит такая реакция.

При взаимодействии между собой атомов дейтерия и дейтерия с тритием образуется много высокоэнергетических нейтронов, которые активируют конструкционные элементы реактора. Реакции взаимодействия протия с бором и дейтерия с гелием являются безнейтронными, они не приводят к активированию материалов. Реакция взаимодействия дейтерия имеет недостаток: дейтерий реагирует сам с собой, выделяется умеренное нейтронное излучение. Реакция взаимодействия протия и бора привлекает тем, что в результате получим 3 альфа-частицы, которые могут напрямую подвергаться снятию энергии (они фактически являют собой направлено движущиеся заряды, т. е. ток). В общем, перспективные реакции уже открыты, но их использование для промышленного производства электроэнергии затруднительно.

Преимущества термоядерной энергетики

  • Более экологически чистое производство электроэнергии. «Побочными» результатами термоядерной реакции являются такие элементы как гелий-4 (инертный газ, нетоксичен) и тритий, который можно применять в качестве топлива. Применение «вторичного трития» уменьшит топливную составляющую, а значит, энергия будет дешевле.
  • Относительная доступность синтезирующих материалов (топлива). Дейтерий без трудностей можно добыть из морской воды. Литий достаточно распространенный элемент в земной коре. Имеется возможность воспроизведения трития в термоядерных реакторах. Для запуска и работы термоядерного реактора при D-Т синтезе нужны только три вышеперечисленных вещества.
  • Термоядерные установки, по сравнению с энергообьектами, которые используют нефтепродукты и уголь, не вредят окружающей среде посредством выделения парниковых газов, или аэрозольных загрязняющих веществ.
  • Термоядерный синтез не относится к цепным реакциям, из-за этого он подвержен более стабильному и простому контролю. Термоядерная установка, в отличие от термоядерной бомбы, не может взорваться из-за ошибок персонала или поломок оборудования. Из-за конструктивных особенностей термоядерной энергетической установки и небольшого количества используемого топлива взрыв ядра реактора невозможен.
  • Более безопасное использование энергообъекта. Эксплуатация термоядерного реактора намного безопаснее атомного. При его повреждении расплавления активной зоны и выброса радиоактивных веществ не происходит, так как при эксплуатации реакцию термоядерного синтеза нужно подпитывать базовым топливом или энергией.

Недостатки термоядерной энергетики

  • Активация конструкционных материалов. Несмотря на то, что в активной зоне установки при реакции D-Т синтеза не создаются радиоактивные элементы, излучаемые нейтроны с течением времени производят активацию оболочки реактора. Проблему можно частично решить применением материалов, которые менее чувствительны к радиационному воздействию. В процессе эксплуатации термоядерного реактора небольшое количество радиоактивного трития может быть выброшено в окружающую среду. Период его полураспада (время, за которое он утратит половину радиоактивности) –12 лет.
  • Широкое распространение промышленных термоядерных реакторов не прогнозируется раньше середины 21-го века. Технология их использования требует множества доработок и усовершенствований.
  • Отсутствие сформированного общественного мнения о безопасности реакторов с термоядерным синтезом. Отсутствуют наработки об особенностях использования таких реакторов в промышленном режиме, их эффектах, а также влияния на окружающую среду и человека.
  • Стоимость создания и постройки термоядерных реакторов намного превышает стоимость обычного ядерного реактора деления.
  • Необходимо применение дорогих материалов, которые имеют низкую чувствительность к радиации. Такие материалы, по сравнению с обычными, более стойки к радиоактивной активации из-за бомбардировки нейтронами. Например, со сталью, которая применяется при изготовлении корпусов реакторов.
Читайте также:  Как подключить колонку без питания

Вывод

Термоядерная энергия не является абсолютно безопасной. Потребуется ещё несколько десятилетий, а может и столетий, для доведения термоядерных установок до параметров необходимой производительности и технической надёжности. Похоже, ближайшие годы человечество будет использовать реакторы на быстрых нейтронах, сжигая достаточно распространенный уран и торий. Даже при условии, что коммерческий результат будет через несколько сотен лет, работы над термоядерными реакторами нужно продолжать, потому что именно их разработка сможет дать новый толчок развитию человечества.

Повсеместное применение ядерной энергии началось благодаря научно-техническому прогрессу не только в военной области, но и в мирных целях. Сегодня нельзя обойтись без нее в промышленности, энергетике и медицине.

Вместе с тем, использование ядерной энергии имеет не только преимущества, но и недостатки. Прежде всего, это опасность радиации, как для человека, так и для окружающей среды.

Применение ядерной энергии развивается в двух направлениях: использование в энергетике и использование радиоактивных изотопов.

Изначально атомную энергию предполагалось использовать только в военных целях, и все разработки шли в этом направлении.

Использование ядерной энергии в военной сфере

Большое количество высокоактивных материалов используют для производства ядерного оружия. По оценкам экспертов, ядерные боеголовки содержат несколько тонн плутония.

Ядерное оружие относят к оружию массового поражения, потому что оно производит разрушения на огромных территориях.

По радиусу действия и мощности заряда ядерное оружие делится на:

  • Тактическое.
  • Оперативно-тактическое.
  • Стратегическое.

Ядерные боеприпасы делят на атомные и водородные. В основу ядерного оружия положены неуправляемые цепные реакции деления тяжелых ядер и реакции термоядерного синтеза. Для цепной реакции используют уран либо плутоний.

Хранение такого большого количества опасных материалов – это большая угроза для человечества. А применение ядерной энергии в военных целях может привести к тяжелым последствиям.

Впервые ядерное оружие было применено в 1945 году для атаки на японские города Хиросима и Нагасаки. Последствия этой атаки были катастрофичными. Как известно, это было первое и последнее применение ядерной энергии в войне.

Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ)

МАГАТЭ создано в 1957 году с целью развития сотрудничества между странами в области использования атомной энергии в мирных целях. С самого начала агентство осуществляет программу «Ядерная безопасность и защита окружающей среды».

Но самая главная функция – это контроль за деятельностью стран в ядерной сфере. Организация контролирует, чтобы разработки и использование ядерной энергии происходили только в мирных целях.

Цель этой программы – обеспечивать безопасное использование ядерной энергии, защита человека и экологии от воздействия радиации. Также агентство занималось изучением последствий аварии на Чернобыльской АЭС.

Также агентство поддерживает изучение, развитие и применение ядерной энергии в мирных целях и выступает посредником при обмене услугами и материалами между членами агентства.

Вместе с ООН МАГАТЭ определяет и устанавливает нормы в области безопасности и охраны здоровья.

Атомная энергетика

Во второй половине сороковых годов двадцатого столетия советские ученые начали разрабатывать первые проекты мирного использования атома. Главным направлением этих разработок стала электроэнергетика.

И в 1954 году в СССР построили первую в мире атомную станцию. После этого программы быстрого роста атомной энергетики начали разрабатывать в США, Великобритании, ФРГ и Франции. Но большинство из них не были выполнены. Как оказалось, АЭС не смогла конкурировать со станциями, которые работают на угле, газе и мазуте.

Но после начала мирового энергетического кризиса и подорожания нефти спрос на атомную энергетику вырос. В 70-х годах прошлого столетия эксперты считали, что мощность всех АЭС сможет заменить половину электростанций.

В середине 80-х рост атомной энергетики снова замедлился, сраны начали пересматривать планы на сооружение новых АЭС. Этому способствовали как политика энергосбережения и снижение цены на нефть, так и катастрофа на Чернобыльской станции, которая имела негативные последствия не только для Украины.

Читайте также:  Бачок для унитаза с раковиной

После некоторые страны вообще прекратили сооружение и эксплуатацию атомных электростанций.

Атомная энергия для полетов в космос

В космос слетало более трех десятков ядерных реакторов, они использовались для получения энергии.

Впервые ядерный реактор в космосе применили американцы в 1965 году. В качестве топлива использовался уран-235. Проработал он 43 дня.

В Советском Союзе реактор «Ромашка» был запущен в Институте атомной энергии. Его предполагалось использовать на космических аппаратах вместе с плазменными двигателями. Но после всех испытаний он так и не был запущен в космос.

Следующая ядерная установка «Бук» была применена на спутнике радиолокационной разведки. Первый аппарат был запущен в 1970 году с космодрома Байконур.

Сегодня «Роскосмос» и «Росатом» предлагают сконструировать космический корабль, который будет оснащен ядерным ракетным двигателем и сможет добраться до Луны и Марса. Но пока что это все на стадии предложения.

Применение ядерной энергии в промышленности

Атомная энергия применяется для повышения чувствительности химического анализа и производства аммиака, водорода и других химических реагентов, которые используются для производства удобрений.

Ядерная энергия, применение которой в химической промышленности позволяет получать новые химические элементы, помогает воссоздавать процессы, которые происходят в земной коре.

Для опреснения соленых вод также применяется ядерная энергия. Применение в черной металлургии позволяет восстанавливать железо из железной руды. В цветной – применяется для производства алюминия.

Использование ядерной энергии в сельском хозяйстве

Применение ядерной энергии в сельском хозяйстве решает задачи селекции и помогает в борьбе с вредителями.

Ядерную энергию применяют для появления мутаций в семенах. Делается это для получения новых сортов, которые приносят больше урожая и устойчивы к болезням сельскохозяйственных культур. Так, больше половины пшеницы, выращиваемой в Италии для изготовления макарон, было выведено с помощью мутаций.

Также с помощью радиоизотопов определяют лучшие способы внесения удобрений. Например, с их помощью определили, что при выращивании риса можно уменьшить внесение азотных удобрений. Это не только сэкономило деньги, но и сохранило экологию.

Немного странное использование ядерной энергии – это облучение личинок насекомых. Делается это для того, чтобы выводить их безвредно для окружающей среды. В таком случае насекомые, появившееся из облученных личинок, не имеют потомства, но в остальных отношениях вполне нормальны.

Ядерная медицина

Медицина использует радиоактивные изотопы для постановки точного диагноза. Медицинские изотопы имеют малый период полураспада и не представляет особой опасности как для окружающих, так и для пациента.

Еще одно применение ядерной энергии в медицине было открыто совсем недавно. Это позитронно-эмиссионная томография. С ее помощью можно обнаружить рак на ранних стадиях.

Применение ядерной энергии на транспорте

В начале 50-х годов прошлого века были предприняты попытки создать танк на ядерной тяге. Разработки начались в США, но проект так и не был воплощен в жизнь. В основном из-за того, что в этих танках так и не смогли решить проблему экранирования экипажа.

Известная компания Ford трудилась над автомобилем, который бы работал на ядерной энергии. Но дальше макета производство такой машины не зашло.

Все дело в том, что ядерная установка занимала очень много места, и автомобиль получался очень габаритным. Компактные реакторы так и не появились, поэтому амбициозный проект свернули.

Наверное, самый известный транспорт, который работает на ядерной энергии – это различные суда как военного, так и гражданского назначения:

  • Атомные ледоколы.
  • Транспортные суда.
  • Авианосцы.
  • Подводные лодки.
  • Крейсеры.
  • Атомные подводные лодки.

Плюсы и минусы использования ядерной энергии

Сегодня доля ядерной энергетики в мировом производстве энергии составляет примерно 17 процентов. Хотя человечество использует органическое топливо, но его запасы не бесконечны.

Поэтому, как альтернативный вариант, используется ядерное топливо. Но процесс его получения и использования связан с большим риском для жизни и окружающей среды.

Конечно, постоянно совершенствуются ядерные реакторы, предпринимаются все возможные меры безопасности, но иногда этого недостаточно. Примером могут служить аварии на Чернобыльской атомной электростанции и Фукусиме.

С одной стороны, исправно работающий реактор не выбрасывает в окружающую среду никакой радиации, тогда как из тепловых электростанций в атмосферу попадает большое количество вредных веществ.

Читайте также:  Циркуляр прокладка взаиморезервируемых кабелей в траншее

Самую большую опасность представляет отработанное топливо, его переработка и хранение. Потому что на сегодняшний день не изобретен полностью безопасный способ утилизации ядерных отходов.

Экономически жизнеспособные термоядерные реакторы могут начать вырабатывать электричество через несколько десятилетий, и политикам стоит начинать планировать их строительство в качестве замены традиционных атомных электростанций, утверждают эксперты.

Ученые Университета Дарема и Калэмского центра энергии синтеза в Оксфордшире повторно изучили экономику синтеза, приняв во внимание последние достижения в сфере технологий сверхпроводников. Их анализ строительства, эксплуатации и вывода из эксплуатации электростанций ядерного синтеза показывает финансовую осуществимость термоядерной энергии по сравнению с традиционной ядерной энергетикой, основанной на делении.

Исследование, опубликованное в журнале Fusion Engineering and Design, опирается на ранее полученные данные о том, что завод синтеза может вырабатывать электричество по сходной цене завода деления, и выявляет новые преимущества в использовании новых сверхпроводниковых технологий.

Профессор Дамиан Гэмпшир из Центра физики материалов Даремского университета, руководящий исследованием, заявил следующее: «Очевидно, мы можем только предполагать, но из наших прогнозов следует, что синтез не будет значительно дороже деления».

Эти выводы поддерживают возможность того, что через поколение или два реакторы синтеза смогут предложить почти неограниченный запас энергии, который не будет сопряжен с усугублением проблемы глобального потепления или производством вредных продуктов в значительных масштабах.

Термоядерные реакторы вырабатывают электроэнергию, нагревая плазму до 100 миллионов градусов по Цельсию, так что атомы водорода сливаются вместе, высвобождая энергию. Этот процесс отличается от ядерного деления в реакторах, которое работает путем расщепления атомов при температурах пониже.

Преимущество термоядерных реакторов по сравнению с нынешними реакторами деления в том, что они почти не создают радиоактивных отходов. Реакторы синтеза безопаснее, поскольку нет крайне радиоактивного материала, который может просочиться в окружающую среду, а вместе с этим невозможны и бедствия вроде аварий на Фукусиме или в Чернобыле, поскольку плазма просто иссякает в случае утечки.

Энергия синтеза также политически безопаснее, поскольку термоядерный реактор не будет производить изделия оружейного уровня, поощряя создание ядерного оружия. Реактор синтеза подпитывается дейтерием, или тяжелой водой, которая добывается из морской воды, и тритием, который создается внутри реактора, так что проблем с безопасностью поставок также не будет.

Экспериментальный реактор синтеза ИТЭР начнет работать через 10 лет на юге Франции. Его задача — доказать научную и технологическую возможность добычи энергии синтеза.

Профессор Гэмпшир выразил надежду, что этот анализ поможет в разработке политической доктрины вокруг термоядерных реакторов и привлечет инвестиции частного сектора.

«Синтез, деление или сжигание ископаемого топлива — это единственные практические возможности крупномасштабной добычи энергии. Подсчитать стоимость термоядерного реактора довольно сложно, учитывая вариации в стоимости сырья и обменные курсы. Но это шаг в правильном направлении. Мы знали о возможностях термоядерных реакторов в течение многих лет, но многие просто не верят, что они когда-нибудь будут построены из-за технологических проблем, которые должны быть преодолены, и неопределенных затрат».

Хотя остаются некоторые технологические проблемы, которые нужно преодолеть, у экспертов уже имеются мощные аргументы, основанные на лучших имеющихся данных, в пользу того, что станции синтеза могут быть экономически жизнеспособны.

Доклад ученых, подготовленный в рамках энергетической программы Исследовательского совета Великобритании, фокусируется на последних достижениях в области высокотемпературных сверхпроводников. Эти материалы могут быть использованы для построения мощных магнитов, удерживающих горячую плазму внутри сосуда, известного как токамак, в самом сердце термоядерного реактора. Развитие технологий предполагает, что сверхпроводящие магниты можно строить по частям, а не одним куском. Вследствие этого, обслуживание, которое очень дорогое в радиоактивной сфере, будет дешевле, поскольку отдельные участки магнита можно будет извлечь для ремонта или замены, не разбирая целое устройство.

В то время как анализ рассматривает стоимость строительства, эксплуатации и вывода из эксплуатации термоядерной электростанции, он не принимает во внимание расходы на утилизацию радиоактивных отходов, связанных с ядерным реактором. В случае с термоядерным реактором, единственным радиоактивным отходом будет токамак после списания, при этом степень его радиоактивности во время срока эксплуатации будет также невысока.

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
Adblock detector