ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Ядерный синтез

Основными недостатками реакторов ядерного деления являются не безопасность эксплуатации, радиоактивные отходы, недостаток ядерного топлива.

Использование ядерных синтез-реакторов позволяет преодолеть указанные недостатки. Наиболее простой реакцией ядерного синтеза является реакция со­единения дейтерия и трития

Подпись: (12)3Т + 2D -» іНе + 'п.

Для определения количества выделяемой энергии подсчитаем потерю массы компонентов реакции. Масса 3Т составляет 5,00827’ 10_27кг. Масса дейтерия равна 3,3434 • 10-27 кг, поэтому суммарная масса веществ левой части уравнения V3526 • 10-27 кг. Масса компонентов правой части равна 8,3214 • 10-27 кг. Она состоит из массы альфа-частицы (иона гелия) и массы нейтрона 3,12 ■ 10_29кг. При умножении массы дейтерия и трития на квадрат скорости света с2 мы полу­чим общее количество энергии пары веществ 2,8 • Ю-12 Дж. Экспериментальное значение этой величины слегка больше теоретического (2,81 • 10-12 Дж). Это не­большое отличие связано с тем, что в расчетах мы использовали массы атомов, а не ионов. В результате данной реакции с 1 кг смеси тритий-дейтерий можно полхчить 337 ТДж энергии, или 562 ТДж с 1 кг трития.

Энергия, выделяющаяся в ходе реакции, переносится альфа-частицами и нейтронами. Преобразование энергии, связанной с потоком нейтронов, в элек - рнческую может быть осуществлено лишь в тепловом цикле с эффективностью * зло 40 %. Энергия, связанная с заряженными альфа-частицами в принципе ы< 'жет быть напрямую преобразована в электроэнергию с эффективностью око­ло 90 %. Следует отметить, что поток тяжелых нейтронов вызывает проблемы Г иоактивности и деструкции конструкционных материалов. Следовательно,

важно понять, в каком соотношении энергия разделяется между альфа-частица­ми и нейтронами. Это соотношение можно определить, приравняв между собой кинетические моменты двух типов частиц:

™ava = m„v„ (13)

и подставив это соотношение в уравнение энергии

Подпись: (14)1 , 1 ,

— щ V2 н— ні и2 = W = W + W 2 аиа т 2 и и а и •

Подпись: и Ядерный синтез Ядерный синтез

Здесь та — масса альфа-частицы: тп — масса нейтрона: va — скорость альфа - частицы; vn — скорость нейтрона; W — общее количество энергии пары атомов. Совместно решая эти уравнения, получаем

Из (16) можно вычислить, что нейтроны переносят около 14 МэВ энергии, тогда как более массивные альфа-частицы берут на себя только 3,5 МэВ.

Реакция Т + D является одной из самых популярных в ядерном синтезе, так как она легче всего может быть инициирована. Из-за низкого атомного числа компонентов ядерного топлива реакция дает наименьшие радиационные поте­ри, которые пропорциональны Z2. Однако эта реакция имеет и некоторые су­щественные недостатки.

1. При данной реакции синтеза появление одного свободного нейтрона соот­ветствует высвобождению 2,8 ■ 10-12 Дж, тогда как при ядерном распаде на 1 нейтрон приходится энергия порядка 10-11 Дж. То есть бомбардирующее воздействие нейтронов на окружающие материалы становится на порядок более мощным. Это приводит к большей наведенной радиоактивности, появлению большего количества дислокаций в кристаллической решетке, образованию водородных полостей и последующему разрушению всего материала.

2. Поскольку, как отмечалось выше, большая часть выделяющейся энергии пе­редается нейтронам, снижаются потенциальные возможности высокоэффек­тивного её преобразования.

3. Хотя дейтерий и не является радиоактивным элементом, тритий имеет значи­тельное время жизни и сохраняет радиоактивность в течение 12 лет. Тритий
имеет свойство «прилипать» к окружающим материалам, замещая обычный водород в молекулах воды.

4. В природе не существует естественных запасов трития, он должен быть по­лучен из лития:

63U +0^ 31Т+4Не + ... + 7,7 10-13 ДЖ. (17)

Преобразование одного атома лития соответствует 2,8 • 1012 + 7,7 • 10-13 = = 3,57 • 10-12 Дж. На 1 кг лития выход энергии составляет 350 ТДж.

Мировые запасы лития на данный момент точно не известны. По консерва­тивным оценкам они составляют порядка Ю10 кг. Однако большую часть из них составляет Lx. Необходимый для реакции (17) изотоп 6 Li составляет всего

7,4 % общей массы. Следовательно, мы можем рассчитывать лишь на 740 • 106 кг или 260000 ЭДж энергии.

Для того чтобы облегчить инициирование процесса, реализуются следующие две реакции, протекающие примерно с равной вероятностью:

2D + -> 2Не + 01и + ... + 5,23-Ю~13Дж, (18)

2D+2D^ ^Т + ^ + .-. + б^-Ю-^Дж. (19)

Подпись: (5,23 + 6,45 + 28,0) ■ 1013 5 Подпись: 7,94 • 10 13 Дж на атом D. Подпись: (20)

Получающийся в реахсции (19) тритий будет реагировать с дейтерием согласно процессу (12). Средний выход энергии по реахсции D + D составляет

Реакция D + D является относительно «грязной», поскольку связана с вы - іелением быстрых нейтронов и радиоактивного газа (трития). Однако в случае этой реакции не требуется дополнительное топливо для получения трития, такое как литий. Здесь используется только дейтерий, который находится на Земле практичесхси в неограниченном количестве. В обычной воде на каждые 6700 мо - лехсул Н20 приходится одна молехсула D20. Из этого легко можно подсчитать, как много дейтерия имеется на Земле.

Океаны занимают приблизительно 2/3 хілощади поверхности Земли, которая равна 5,1 • 10й м2. Принимая среднюю глубину океанского дна 3000 м, получим, что общий объем воды на земле равен 1018 м3, что соответствует 1021 кг. Из них I 9 приходится на водород и 2/6700 на дейтерий. Это соответствует 3,3 • Ю16 хсг, или около 1031Дж. Такие запасы энергии мы можем считать практичесхси не­ограниченными.

Следующей по сложности активации является реакция D + 3Не, которая происходит достаточно чисто: без выделения радиоактивных веществ и нейтро­нов. Еще одной чистой реакцией считается реакция 3Н + 3Не.

Особенностью этой реакции является то, что 3Не не существует в природе в естественном виде и его нужно получать с использованием «грязной» техноло­гии путем синтеза Li и Н. Однако есть предположения, что на Луне находятся миллиарды тонн этого вещества.

Тритий поступает на поверхность Луны с солнечным ветром в течение мил­лиардов лет. На Земле же 3Н задерживается в атмосфере и в конечном итоге испаряется назад в космическое пространство.

Рассмотрим интересную реакцию с участием 11В — распространенного изо­топа бора:

^Ве + }Н -> Чс' -> ^Не + *Ве. (21)

1 О Нс

Здесь і С — это известный в ядерной физике нестабильный изотоп углерода, который спонтанно делится на альфа-частицу; J Be — крайне нестабильный изотоп с временем жизни 2 • 10-16 с, являющийся источником альфа-частиц:

4ВЄ -> 2^Не. (22)

Общая реакция

^Ве+}Н->З^Не (23)

или

}Н+^Ве+->За. (24)

Реакция является тройной альфа-реакцией, и она может лечь в основу со­здания столкновительного синтез-реактора. Такой реактор до сих пор еще не создан. Если бы он заработал, то мы имели бы экологически чистый ядерный реактор, использующий топливо, которое в изобилии находится на Земле. При этом минимальная мощность у таких реакторов может быть не слишком боль­шой, как, например, у Токамака, который, для того чтобы стабильно работать, по оценкам, должен иметь мощность не менее 10 ГВт.

Нужно также отметить, что 10 В дает тройную альфа-реакцию при взаимо­действии с дейтерием:

l05B+;D^He. (25)

Оба рассматривавшихся выше изотопа бора широко распространены в при­роде, кроме того, они стабильны и нерадиоактивны. Бор, который находится на

Земле, на 20 % состоит из 10В и на 80 % из 11В.

48 - JU Глава 1. Общие понятия

 

 

Тройная альфа-реакция также может играть важную роль в реакции холод­ного ядерного синтеза (если такой процесс может существовать в принципе, см. ниже/.

В табл. 1.11 приведены данные о доле энергии, которая передается нейтронам на различных этапах ядерных реакций.

Хотя на данный момент и не существует действующих прототипов реакторов ядерного синтеза, они могут стать основным источником энергии лет через 50. Если это произойдет, то они будут удовлетворять основным потребностям че­ловечества в энергии и позволят избежать будущего энергетического коллапса, связанного с исчерпанием традиционных ископаемых источников энергии.

Таблица 1.11. Энергия нейтронов

Реакция

Доля энергии, приходящаяся на нейтроны, %

Д + Т

65-75

д+т

65-75

д+д

20-45

в + н

Менее 0,1

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

РАБОТА

Выше мы говорили о том, что газ, находящийся в цилиндриче­ском сосуде с поршнем, может совершать работу. Какова эта работа? Сила, действующая на поршень со стороны газа, равна рА, где А …

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Подведем некоторое количество Q теплоты к газу, находящему- ■ : цилиндре с адиабатическими стенками и поршнем внутри, который может ■сремещаться без трения. Наличие адиабатических стенок означает, что тепло - р …

УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ ПРИ ПОСТОЯННОМ ОБЪЕМЕ

При изменении температуры некоторого фиксированного коли­чества газа будет меняться его внутренняя энергия. Если при этом объем газа остается постоянным (например, газ помещен в сосуд с жесткими стенками), то изменение его …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.