Современные проблемы УТС (Багрянский, Бурдаков, Шошин) (1248471), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В итоге это приведет к тому, что не тольконебогатым странам, но и достаточно богатому человеку илипромышленному предприятию откроется возможность создать своюатомную бомбу. Секрета, как она делается, давно не существует, анеобходимого для этого плутония, особенно при широком использованиибридеров, будет вполне достаточно. В современной системемеждународных организаций нет такой авторитетной организации,которая могла бы достаточно надежно контролировать мирноеиспользование урана как энергетического сырья, и неясно, как такаяорганизация может быть создана.В этом заключается основная причина, делающая крайне актуальнымпоиск источников энергии, способных в течение многих тысячелетийобеспечивать потребности человечества, минуя использования реакторовделения.2.5.
Термоядерный синтезПривлекательность термоядерных реакций с точки зрения энергетических приложений заключается в том, что относительное содержание дейтерия составляет около 0,015 % среди водорода, находящегося на Земле.Если удастся создать энергетические установки, где управляемым образомбудут осуществляться реакции синтеза 3 и 4, приведенные в табл. 1, тонетрудно подсчитать, что «сжигание» дейтерия, извлеченного из 1 м3 морской воды, приведет к выделению энергии, эквивалентной теплотворнойспособности 200 т нефти-сырца.
Принимая во внимание объем мировогоокеана (около 1350 млн км3), это означает овладение практически неисчерпаемым источником энергии.Реакция синтеза ядер дейтерия и трития ((1) в табл. 1) обладает примерно на два порядка более высоким сечением при относительно низкой11энергии E ≈ 50 кэВ (см. рис. 1). Поэтому естественно ожидать, что управляемый синтез дейтерия и трития будет освоен в первую очередь. Наиболее тяжелый изотоп водорода – тритий – практически отсутствует на Земле, поскольку он не является стабильным, а его период полураспада составляет всего около 12 лет.
Задачу производства трития планируется решать путем реакций нейтронов с литием, причем при наличии нейтронов сэнергией 14,1 МэВ, которые рождаются при синтезе ядер D и T, пригодныоба стабильных изотопа лития:6Li + n → 4He +T + 4,8 МэВ7Li + n → 4He +T + n – 2,466 МэВ.Согласно результатам оценок, учитывающих технологии добычи дейтерия и лития, энергетические затраты на производство одного килограмма термоядерного горючего для D-Т-реакторов составляют 38 мегаваттчасов или 137 тыс.
МДж [10]. Это число почти в две с половиной тысячираз меньше «энергетической плотности» (понятия, используемого энергетиками для сравнения различных видов горючего) дейтерий-тритиевойсмеси, которую оценивают в 337 млн МДж на килограмм. Поэтому считается, что затраты энергии на производство термоядерного горючего длябудущих D-T-реакторов в общем энергобалансе термоядерной электростанции пренебрежимо малы.Долгосрочная перспективность энергетики на основе D-T-реакции обусловлена мировыми запасами лития.
Если запасы дейтерия в океане исчисляются астрономической величиной 2,3⋅1016 т, то разведанные запасылития в легкодоступных месторождениях оцениваются всего в35 млн тонн. Сегодня годовое потребление энергии в мире составляет около 5⋅1020 Дж. Исходя из энергетической плотности термоядерной D-Tсмеси и коэффициента преобразования тепловой энергии в электрическую(η = 40 %), нетрудно подсчитать, что в год придется сжигать не менее полутора тысяч тонн лития. Это означает, что известных запасов этого элемента хватит примерно на 20 тыс. лет. Не следует забывать, что энергетический «аппетит» человечества растет с каждым годом, поэтому болееосторожные оценки показывают, что лития как элемента термоядерногогорючего должно хватить не менее чем на 6 тыс.
лет. Это, конечно, оченьбольшой срок, сравнимый со временем существования цивилизации, ноотнюдь не бесконечность. Кроме того, на литий «засматривается» автомобильная промышленность, ведь этот металл считается очень перспективным для создания батарей к электромобилям.Реакция D + 3He → 4 He (3,6 МэВ) + p (14,7 МэВ) (номер (4) в табл. 1)обладает особой привлекательностью, которая заключается в отсутствиинейтронов среди продуктов реакции. Кроме того, сечение реакции дляэнергий в сотни кэВ почти на порядок превышает сечения D-D-реакций.12Нейтроны в гипотетическом реакторе на основе D-3 He-синтеза могут появляться только в реакциях между ядрами дейтерия.
Однако расчеты показывают, что поток нейтронов на единицу мощности в таких реакторахдолжен быть примерно в сто раз ниже, чем в реакторах с D-T-смесью. Этообусловлено соотношением сечений для реакций D-T и D-3He. Низкийуровень потока нейтронов означает относительно низкую радиоактивностьэлементов конструкции реактора в процессе и после завершения эксплуатации, следовательно, энергетика на основе D-3 He синтеза обещает бытьнаиболее экологически чистой.
Однако на пути создания термоядернойэнергетики со смесью D-3He в качестве топлива, кроме решения задач физики и технологий управляемого синтеза, существует очень серьезная проблема, которая заключается в том, что изотоп 3He практически отсутствуетна Земле. Согласно данным исследований образцов грунта, доставленногос Луны, он есть на Луне. В связи с этим возникают два вопроса.
Возможноли организовать его добычу и доставку на Землю и насколько это экономически целесообразно? Иными словами, прежде чем ставить сложнуюзадачу освоения промышленного термоядерного синтеза на гелии-3, нужно оценить, насколько реальна добыча и доставка гелия-3 с Луны в необходимых количествах и каковы его запасы. Поскольку дискуссии по этимвопросам периодически возникают в научных изданиях и средствах массовой информации, остановимся на них несколько более подробно.Луна, лишенная атмосферы и защитного магнитного поля, подвергается мощному облучению потоком испускаемых Солнцем легких атомов:водорода, гелия, углерода, азота и др. Этот поток, называемый солнечнымветром, попадает на поверхность Луны. Поскольку на Луне нет активныхгеологических процессов и круговорота веществ, находящийся на поверхности пылевидный материал, называемый реголитом, миллиарды лет накапливает частицы солнечного ветра, в том числе гелия.
Содержание гелияв реголите (лунном грунте) зависит от многих факторов. Прежде всего этовозраст реголита. Чем дольше облучается поверхность, тем больше накапливается в ней внедрившихся частиц солнечного ветра. Крупность зеренреголита также имеет значение. Слишком крупные зерна имеют малуюотносительную поверхность, а очень мелкие не удерживают гелий. Оптимальным является размер 20–50 микрон (0,02–0,05 мм).
Концентрация гелия зависит также от минерального состава зерен реголита. Лучше всегогелий накапливается в ильмените – минерале, содержащем титан (FeTiO3).Луна богата этим минералом. На каждый атом гелия-3 приходится 3000атомов обычного гелия (4 Не), от которого полезный гелий-3 нужно отделить. В одной тонне лунного реголита содержится в среднем всего около10 миллиграммов 3Не.Чтобы добыть одну тонну гелия-3, нужно переработать 100 млн тоннлунного грунта, т. е.
участок лунной поверхности площадью 20 км2 на глу13бину 3 м. Зато энергетическая мощность гелия-3 огромна. Для обеспечения современной мировой потребности потребуется около 900 т гелия-3 вгод. Запасы гелия-3 на Луне составляют около 1 млн т. Таким образом, принынешнем уровне мирового потребления энергии их хватит более чем натысячу лет.Одна тонна гелия-3 заменяет примерно 10 млн тонн нефти. При современной стоимости нефти около 50 долл. за баррель стоимость 10 млн тонннефти составляет 5 млрд долл. Это и есть современная цена 1 тонны гелия-3.
Транспортировка одного килограмма груза на траектории Земля–Луна–Земля составляет сегодня приблизительно 20–40 тыс. долл. Чтобыперевезти 1 т гелия-3, придется перевозить 2–5 т сопровождающего груза ввиде контейнеров, охлаждающего оборудования и т.д. Таким образом, перевоз с Луны одной тонны гелия-3 обойдется в 100 млн долл.
Кажется,огромная сумма. Но это всего лишь 2 % того, что стоит энергия, которуюодна тонна гелия-3 может обеспечить на Земле.Для того чтобы организовать добычу 3 Не на Луне в промышленныхмасштабах, потребуется развернуть там целую индустрию. Во-первых,придется вскрыть и переработать лунный грунт на площади в сотни квадратных километров. Затем выделить гелий из реголита при температуре600–800 °С.
Из выделенного гелия нужно методами изотопного фракционирования получить чистый изотоп 3Не. Из каждого килограмма гелияможно получить максимум 0,3 г 3Не. Гелий-3 для целей транспортировкипридется сжижать. Процессы сжижения и хранения жидкого гелия неизбежно приведут к потерям. Понятно, что первоначальные затраты, связанные с завозом оборудования, развертыванием лунной базы и организациейкрупномасштабной добычи, будут велики. В то же время следует учесть,что в инженерном отношении все эти процедуры хорошо известны и достаточно просты.
Гелий заключен в сорбированном состоянии в рыхломгрунте, залегающем на самой поверхности. Поэтому после создания необходимого производства расходы на добычу и эксплуатацию соответствующей инфраструктуры должны быть умеренными.По расчетам американского астронавта Гаррисона Шмита, по профессии геолога, побывавшего на Луне в составе американской экспедиции«Аполло-17», использование гелия-3 с учетом расходов на его добычу идоставку станет коммерчески выгодным, когда производство термоядерной энергии на гелии-3 на Земле достигнет мощности 5 ГВт.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
