Источники питаниярадиоустройств.
Реферат по теме: “Первичные источникипитания”.
МТК, группа Р-234
Сиденко Евгений Владимирович .
1996г.
ТЕРМОЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ
Предисловие:
Мыпривычно говорим о термоядерном синтезе, как о перспективном источнике энергии.Но вот вопрос: не слишком ли долго он останется всего лишь “перспективным”?Ведь сложилась парадоксальная ситуация: на энергии деления ядер урана уже давноработают атомные электростанции, тогда как управляемый синтез лёгких ядер не даётположительного баланса энергии. Между тем последний процесс открыли на четырегода раньше, чем первый: в 1934 году в лаборатории Э. Резерфорда был проведёнсинтез ядер дейтерия с получением трития. А уже через несколько лет теоретикинашли подходящие ядерные процессы, объясняющие механизм “горения” звёзд,который так долго был неразрешимой загадкой. Значит, роль термоядерной реакции,как возможного источника огромных количеств энергии, была осознана давно. Какиеже трудности стояли и стоят на пути к овладению этим источником?
Появлениеновой энергии.
Главная причина устойчивости звёздныхтермоядерных реакций — громадные размеры реакторов, да и времена циклов реакцийисчисляются миллионами лет. Как же в наших ограниченных масштабах сотворитьподобное?
В 1945 году на далёком Сахалине у учащегосявечерней средней школы Олега Лаврентьева блеснула дерзновенная идея, котораясулила создание искусственного земного солнца. Как писал сам Олег Александрович,он “сформулировал принцип тепловой изоляции электрическим полем полностьюионизированного газа с целью промышленной утилизации термоядерных реакций” и недолго думая направил предложение прямо в адрес И.В.Сталина. Письмо осталось безответа, но повторное предложение в ЦК ВКП(б) сработало мгновенно. В 1954 годуэта идея, оказавшаяся весьма плодотворной, была воплощена в Институте атомнойэнергии (ИЭА). Появилась первая исследовательская термоядерная установкатокомак. Впоследствии А.Д.Сахаров, уже академик, засвидетельствовал:“Подтверждаю, что в июне или июле 1950 г. я рецензировал работуО.А.Лаврентьева… Ознакомление с работой Лаврентьева послужило толчком,способствующим ускорению моей совместной с И.Е.Таммом работы по магнитной термоизоляциивысокотемпературной плазмы”.
Но действительность оказалась сложнее.Выяснилось, что в тороидальном поле частицы за каждый оборот будут смещаться изобласти более сильной напряжённости (внутренний периметр тороида) в область слабойнапряжённости (внешний периметр) и вся плазма “вывалится” на внешнюю стенку, неуспев разогреться до термоядерных температур.
Правда, выход быстро нашли: для удержанияплазмы в равновесии силовые линии её магнитного поля надо завить по спирали.Двадцать лет спустя эта работа сыграла историческую роль и стала оной из основтеории токамаков.
В 1969 году на международной конференции вДубне было объявлено, что в плазме токамака Т-3 достигнута фантастическая длятого времени температура- 7-10 млн. градусов. Началось всемирное “обращение втокамаки”.
Сейчас на токамаках, кроме России, работают вСША, Великобритании, Франции, ФРГ, Италии, Японии, Китае, Австралии, Ливии,Венгрии и других странах.
Оказалось, что в замкнутых магнитных системахположения классической теории парных столкновений частиц плазмы, на которуютогда опирались учёные, не выполняются. А в 1965 году известные советскиефизики Р.З.Садеев, А.А.Галеев и Л.М.Коврижных создали новую теорию, за чтовпоследствии были удостоены Ленинской премии.
Условияуправляемого ядерного синтеза.
В энергетически выгодных термоядерных реакцияхучаствуют прежде всего изотопы водорода-дейтерий (Д) и тритий (Т). При этом издвух реакций Д+Д и Д+Т последняя в сто раз эффективнее, и во всех современныхустановках пытаются осуществить именно её. При слиянии ядер дейтерия и тритияобразуется нестабильное ядро, которое быстро распадается на альфа-частицу (ядрогелия-4) с энергией 3,5 МэВ и нейрон с энергией 14,1 МэВ (то есть 20%и 80%общей энергии соответственно):
Д+Т®4Не++ (3,5 МэВ)+n(14,1МэВ).
Дело осложняется тем, что “готового” трития вприроде почти нет. Но выход найден: этот изотоп производится в самом реактореиз лития.
Таким образом, в термоядерных реакциях, в томчисле в токамаках, будет, по существу, “сжигаться” литий, один грамм которого вэтом случае соответствует тонне условного топлива. А доступные запасы лития наЗемле на три порядка превосходят запасы органического топлива, причём добыватьлитий сравнительно несложно.
Для получения полезной энергии в реакцияхядерного синтеза надо последовательно достичь двух пороговых условий:“зажигания” реакции, то есть положительного энергобаланса, и самостоятельного,самоподдерживающегося синтеза, уже не требующего внешнего “подогрева”. Крометого, необходима определённая плотность и время существования плазмы при даннойтемпературе. В 1957 году английский физик Дж.Лоусон вывел соответствующийкритерий: произведение плотности плазмы n (число частиц в кубическом метре еёобъёма) на время существования t(измеряемое в секундах) притемпературе Т=108 К должно быть не менее 2*1020 с/м3.В этих условиях энергобаланстермоядерной реакции будет положительным, то есть общий выход энергии превыситэнергозатраты на нагрев.
Но достижение первого порогового условия-зажигания- ещё не обеспечивает второго, то есть самоподдержания реакции. Всянадежда лишь на заряженные ядрагелия. Чтобы они удержались в зоне реакции, а их энергии хватило на её самоподдержание, магнитное поле должноиметь определённую напряженность В, а плазма- определённый объём V.Произведение этих двух величин BV называется фактором удержания, который ихарактеризует степень самообеспеченности реакции.
Токамаки:что достигнуто?
В таблице даны основные параметры токомаков: Rи r — большой и малые радиусы плазмы, V — её объём, B — напряжённостьмагнитного поля, BV — фактор удержания плазмы и W — общая мощностьдополнительных источников её нагрева (который можно производить тремяспособами: адиабатическим сжатием плазмы, инжекцией быстрых (“горячих”)нейтральных атомов и высокочастотными волнами).
НАЗВАНИЕ
R, М
r , М
V, М3
B, Тл
VB, М3Тл
W, МВТ
Т — 3 Россия
1
0,15
0,5
3,5
1,8
нет
Т — 4 Россия
0,9
0,17
0,5
4,5
2,3
нет
Т — 7 Россия
1,2
0,35
3
2,5
7,5
1
Т — 10 Россия
1,5
0,37
4
4,5
19
4
Т — 15 Россия
2,4
0,7
24
3,5
85
14
ТСП Россия
1,06
0,29
1,8
2
3,6
2
PLT США
1,3
0,4
4
4,5
19
4
Doublett США
2,75
0,9
44
2,6
120
8
JT — 60 Япония
3
0,95
54
4,5
240
40
TFTR США
2,65
1,1
64
5,2
330
30
JET ЕВРАТОМ
2,95
1,7
170
3,4
580
52
Т — 4 — по сути, увеличенная модель Т-3.
Т — 7 — уникальная установка, в которой впервые в мире реализована относительнокрупная магнитная система со сверхпроводящим соленоидом на базе ниобата олова,охлаждаемого жидким гелием. Главная задача Т — 7 была выполнена: подготовленаперспектива для следующего поколения сверхпроводящих соленоидов термоядернойэнергетики. Чтобы подчеркнуть всю сложность этой задачи, отметим, что попытканаших коллег из ФРГ соорудить плазменную установку W — 7 со сверхпроводящей системойне удалась.
Т — 10 и PLT— следующий шаг в мировых термоядерных исследованиях, они почтиодинакового размера, равной мощности, с одинаковым фактором удержания. И полученныерезультаты идентичны: на обоих реакторах достигнута заветная температуратермоядерного синтеза, а отставание по критерию Лоусона — всего в двести раз.Не надо удивляться этому как будто легкомысленному “всего”: на самом деле в тегоды и такой результат был успехом.
JET(Joint Europeus Tor) — самый крупный в мире токомак, созданный организациейЕвратом в Великобритании. В нём использован комбинированный нагрев: 20 МВт — нейтральнаяинжекция, 32 МВт — ионно-циклотронный резонанс. В итоге критерий Лоусона лишь в4-5 раз ниже уровня зажигания.
Т — 15 — реактор сегодняшнего дня со сверхпроводящим соленоидом, дающим поленапряжённостью 3,5 Тл. К сожалению, столь важный для развития наших работ потермояду реактор является самым “младшим” в своём поколении, явно отставая отпоследних зарубежных. Такое отставание — расплата за негибкость нашейпромышленности и проектных организаций, отчего каждая новая установка становиться“долгостроем”.
TFTR (Test Fusion Tokamak Reactor) — крупнейшийтокамак США (в Принстонском университете) с дополнительным нагревом быстрыминейтральными частицами. Достигнут высокий результат: критерий Лоусона приистинно термоядерной температуре всего в 5,5 раза ниже порога зажигания.
Как видно из краткого обзора, нет сомнений,что в ближайшее время можно ожидать “зажигания” термоядерной реакции в земныхусловиях на смеси газов дейтерия и трития.
Ядерный синтез завтра.
“На завтра” планируется прежде всего созданиеследующего поколения токамаков, в которых можно достичь самоподдерживающегосясинтеза. С этой целью в ИАЭ имени И.В.Курчатова и НИИ электрофизическойаппаратуры имени Д.В.Ефремова разрабатывается Опытный термоядерный реактор(ОТР).
В ОТР ставится целью самоподдержание реакциина таком уровне, чтобы отношение полезного выхода энергии к затраченной(обозначается Q ) было больше или по крайней мере равно единице: Q=1. Это условие— серьёзный этап отработки всех элементов системы на пути созданиякоммерческого реактора с Q=5. По имеющимся оценкам, лишь при этом значении Qдостигается самоокупаемость термоядерного энергоисточника, когда окупаютсязатраты на все обслуживающие процессы, включая и социально-бытовые затраты. Апока что на американском TFTR достигнуто значение Q=0,2-0,4.
Существуют также и другие проблемы. Например,первая стенка — то есть оболочка тороидальной вакуумной камеры — самаянапряжённая, буквально многострадальная часть всей конструкции. В ОТР её объёмпримерно 300 м3, а площадь поверхности около 400 м2.Стенка должна быть достаточно прочной, чтобы противостоять атмосферномудавлению и механическим силам, возникающим от магнитного поля, и достаточнотонкой, чтобы без померного перепада температур отводить тепловые потоки отплазмы к воде, циркулирующей на внешней стороне тороида. Её оптимальная толщина2 мм. В качестве материалов выбраны аустенитные стали либо никелевые ититановые сплавы.
Планируется установка Евратомом NET (NextEuropeus Tor), во многом схожим с ОТР, это следующее поколение токомаков послеJET и Т-15.
NET предполагается соорудить в течении1994-1999 годов. Первый этап исследований планируется провести за 3-4 года.
Говорят и о следующем поколении после NET — этоуже “настоящий” термоядерный реактор, условно названный DEMO. Впрочем, не всёпока ясно даже и с NET, поскольку есть планы сооружения несколькихмеждународных установок.
Мы проследили термояд “завтра” до конца XX идаже до начала XXI века. Здесь уже многое запланировано и предопределено. Такоепредсказуемое “завтра”, видимо, кончится с пуском “настоящего” реактора. А чтодальше — это уже во многом из области фантастики...
Вывод.
Жизньидёт вперёд, открываются всё новые горизонты. Несомненно лишь одно:термоядерный синтез — реальность XXI века, но на его пути в большую энергетикуещё много перепутий.