ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Ядерный синтез

Основными недостатками реакторов ядерного деления являются не­безопасность 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

3Т + 2D -» ^Не + 'п. (12)

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 элек­трическую может быть осуществлено лишь в тепловом цикле с эффективностью • эло 40 %. Энергия, связанная с заряженными альфа-частицами в принципе может быть напрямую преобразована в электроэнергию с эффективностью око - *> 90 %. Следует отметить, что поток тяжелых нейтронов вызывает проблемы уішоактивности и деструкции конструкционных материалов. Следовательно,

важно понять, в каком соотношении энергия разделяется между альфа-частипа - ми 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

mav2a + ^m„v2„ = W = Wa + W„ . (14)

Здесь ma — масса альфа-частицы: mn — масса нейтрона: va — скорость альфа-

частицы; vn — скорость нейтрона; W — общее количество энергии пары атомов.

Совместно решая эти уравнения, получаем

jу (15)

W =

а п

К = ■ W—r - (16)

т„/та +1

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 Li. 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:

iD + -> 2Не + 01и + ... + 5,23-Ю_13Дж, (18)

2D+2D^ 31Т + }Н + ... + 6,45-10-|3Дж. (19)

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

(5,23 + 6,45 + 28,0) 10 13 = ^ 1Q_13 Дж ^ р ^

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 практически в неограниченном количестве. В обычной воде на каждые 6700 мо­лекул Н20 приходится одна молекула D20. Из этого легко можно подсчитать, как много дейтерия имеется на Земле.

Океаны занимают приблизительно 2/3 площади 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 кг, или около 1031Дж. Такие запасы энергии мы можем считать практически не­ограниченными.