Современные проблемы УТС (Багрянский, Бурдаков, Шошин) (1248471), страница 4
Текст из файла (страница 4)
По мнениюШмита, предварительные расходы на стадии research & development (исследование и развитие), которые, очевидно, должно взять на себя государство, составят около 15 млрд долл. Затем лунный энергетический проектстанет привлекательным для частных инвестиций, поскольку окажетсяприбыльным.14Следует заметить также, что в некоторых термоядерных проектах рассматривается реакция P + 11B → 3 4 He + 8,7 МэВ ((13) в табл. 1). Продуктыэтой реакции не содержат нейтронов, что является ее явным достоинством.Главной трудностью при осуществлении управляемого синтеза с этой реакцией является необходимость достижения энергий взаимодействующихядер диапазона 1 МэВ.Резюмируя всё сказанное, подчеркнем наиболее существенные отличия ядерной и термоядерной энергетики. Процессы ядерного синтеза нетолько не создают значительного количества радиоактивных шлаков иопасного накопления радиоактивного вещества, но, главное, и не открывают никаких возможностей осуществления взрывной термоядерной реакции и создания взрывных устройств.
Последнее особо важно в условияхнеослабевающей активности террористических организаций во всем мире,которую мы, к сожалению, можем наблюдать в настоящее время.Отметим еще раз, что создание термоядерной энергетики, основаннойна реакции синтеза ядер дейтерия, полностью и навсегда решает глобальную энергетическую проблему для населения нашей планеты. По этомупризнаку конкуренцию ядерному синтезу может составить только глобально развитая солнечная энергетика, основные проблемы создания которой мы и обсудим далее.2.6.
Солнечная энергетикаПоток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м², расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (на входе в атмосферуЗемли), равен 1367 Вт/м² (солнечная постоянная).
Нетрудно подсчитать,что мощность солнечного излучения, падающего на площадь, равную центральному сечению земного шара (S = πr2Земли), составляет около1,8⋅1017 Вт, что сегодня более чем на 4 порядка превышает мировое потребление мощности (около 1,6⋅1013 Вт). Характерное время остыванияСолнца оценивается в миллиарды лет.
Эти два обстоятельства дают основание позиционировать солнечную энергетику как неисчерпаемую и способную удовлетворить энергетические запросы человечества на любойстадии его дальнейшей эволюцию.Из-за поглощения при прохождении атмосферной массы Земли максимальный поток солнечного излучения на уровне моря (на Экваторе) равеноколо 1000 Вт/м².
Однако максимальная величина среднесуточного значения потока солнечного излучения через единичную горизонтальную площадку в наиболее жарких областях земного шара не превышает 300 Вт/м2(из-за смены дня и ночи, изменения угла солнца над горизонтом, среднейоблачности). Оценим, какую площадь должны занимать преобразователисолнечного излучения в электроэнергию, способные обеспечить сего15дняшнее мировое потребление, если расположить преобразователи в областях с максимальным значением среднесуточного потока солнечногоизлучения. Максимальный КПД промышленно производимых сегодняфотоэлектрических элементов составляет η = 16 %.
Нетрудно подсчитать,что искомая площадь составит Ssolar cells ≈ 1,6⋅1013/(300⋅0,16) ≈ 3,3⋅1011м2 =3,3⋅105 км2. Если учесть дополнительную площадь, необходимую для размещения инженерных систем, подъездных путей и т. д., то это значениеследует, по-видимому, удвоить. Полученная таким образом площадь превышает территорию многих немалых государств, например, Франции.Средняя толщина пластин, выпускаемых сегодня фотоэлектрическихэлементов из кристаллического кремния составляет δ = 0,25 мм, массоваяплотность кремния ρ = 2,33т/м3.
Таким образом, для создания системысолнечных элементов с площадью Ssolar cells = 3,3⋅1011 м2 потребуется Sso11-38lar cells⋅δ⋅ρ = 3,3⋅10 ⋅0,25⋅10 ⋅2,33 ≈ 1,9⋅10 т, т. е. примерно 200 млн тоннматериала только для производства фотоэлементов. Заметим также, чтосрок службы современных солнечных батарей оценивается в несколькодесятков лет, поэтому производство такого гигантского количества полупроводникового материала придется повторять периодически. Эти обстоятельства не позволяют утверждать, что основанная на современных технологиях солнечная энергетика обещает быть экологически чистой.
Нереальными также представляются проекты размещения солнечных батарейдля обеспечения мировых потребностей в околоземном пространстве. Вывод на орбиту массы такого масштаба оказывается сегодня невозможнымпо экономическим и экологическим соображениям.Сделанные выше простые оценки позволяют оценить масштаб проблем, которые предстоит решить для того, чтобы солнечная энергетикастала значимой в мировом энергетическом хозяйстве.
Важно отметитьтакже, что для территорий стран, расположенных в умеренных и близких кполюсам широтах, среднесуточная удельная мощность солнечного излучения не превышает 200 Вт/м2. В этом случае при полном переходе насолнечную энергетику фотоэлектрические элементы занимают многобольшие площади, чем следует из оценки, приведенной выше. Поэтомукажется проблематичной возможность решения с помощью солнечнойэнергетики задачи энергетической независимости отдельных государств.Это исключительно важная геополитическая задача ближайших десятилетий.Следует заметить, однако, что указанное направление энергетики в настоящее время очень сильно прогрессирует во всем мире. Недавно появилась информация, что в лабораторных условиях получен КПД преобразования солнечного излучения в электричество на уровне 40 %, успешноразвивается технология производства тонкопленочных фотоэлементов и16т.
д. Согласно прогнозам, мощность фотоэнергетических систем в мире в2020 г. превысит 50 ГВт.2.7. Основной выводГлавный вывод, который, по мнению авторов, следует сделать из анализа материала, представленного в данном разделе, заключается в том, чтотолько одно направление энергетики потенциально способно удовлетворить всем требования нашей цивилизации в ближайшем и последующихтысячелетиях: экономическим, экологическим и геополитическим. Этонаправление – управляемый термоядерный синтез, основанный на реакциях D-T, D-D, D-3He и, возможно, p-11B. Запасы «топлива» практически неисчерпаемы, производство энергии не сопряжено с выбросами, вопросыобеспечения безопасности, включая радиационную, могут быть полностьюрешены доступными сегодня техническими средствами.
Будущие энергетические установки обещают быть компактными и способными размещаться в самых густонаселенных областях, что, в принципе, решает задачуэнергетической независимости отдельных государств и территорий. В отличие от реакторов деления, «топливо» термоядерных реакторов не можетбыть использовано для производства взрывных устройств. Поэтому авторы полностью разделяют мнение одного из самых выдающихся физиковXX столетия Петра Леонидовича Капицы о том, что управляемый термоядерный синтез должен стать задачей номер один для современной физики[9].3. МЮОННЫЙ КАТАЛИЗОдним из способов преодоления кулоновского барьера для осуществления реакции синтеза является использование промежуточных частиц длясоздания молекул, состоящих из ядер реагирующих элементов.
Такой подход реализован в методе мюонного катализа [23], который состоит в следующем: отрицательно заряженный мюон (нестабильная частица с временем жизни τμ = 2,2×10−6 с и массой mμ = 206,769 me), попадая в смесь изотопов водорода, образует там мезоатомы pμ, dμ и tμ, которые, сталкиваясьзатем с молекулами Н2, D2 и Т2 (а также HD, НТ и DT), образуют мезомолекулы ppμ, pdμ, ptμ, ddμ, dtμ и ttμ (или, точнее, мезомолекулярные ионы(ppμ)+, (pdμ)+ и т. д.).Поскольку мюон примерно в 200 раз тяжелее электрона, то размерымезомолекул во столько же раз меньше размеров молекулярных ионов H2+,HD+ и т.
д., в которых ядра удалены друг от друга в среднем на расстояниев две атомные единицы ~ 2a0 = 2h2/mee2 ~ 10−8 см. В мезомолекулах ядраудалены на расстояние примерно в две мезоатомные единицы ~ 2aμ =2h2/mμe2 ~ 5×10−11 см. На такое расстояние сближаются ядра изотопов во17дорода при кинетической энергии ~3 кэВ (~ 30 миллионов градусов), которая сравнима с температурой, достигнутой в современных термоядерныхустановках.После образования мезомолекул ddμ, dtμ и ttμ чрезвычайно быстро, завремена τ = 10−9–10−12 с, происходит слияние их ядер за счет сильноговзаимодействия, в реакциях (1), (2), (3) и (5) из табл. 1.Поскольку эти реакции в мезомолекулах идут в присутствии мюона µ−,то для каждой из них возможны два исхода, а именно мюон может илиосвободиться, или же образовать мезоатом гелия. Свободный мюон можетинициировать следующую реакцию синтеза, а мюон, захваченный гелием,не может.
Таким образом, число реакций синтеза Xc, инициируемое одниммюоном, ограничено величиной коэффициента прилипания мюона кгелию. Экспериментально удалось получить значения Xc ~ 100, т. е. одинмюон способен высвободить энергию ~ 100 × 20 МэВ = 2 ГэВ. Но этавеличина все же меньше, чем энергетические затраты на производствосамого мюона (5–10 ГэВ). Таким образом, мюонный катализ – покаэнергетически невыгодный процесс. Коммерчески выгодное производствоэнергии возможно при Xc ~ 104.В 1999 г. японский физик Такахиро Мацумото в японском патенте№ 3073741 сообщил, что при инжекции мюонов в пористый кремний,обогащённый дейтерием и тритием, коэффициент прилипания былуменьшен до 0,03 %. Согласно патенту, один мюон способенинициировать более 1000 реакций синтеза при комнатной температуре иболее 1500 реакций при температуре 500 K (227 °С). Также, в принципе,возможно использование систем с мюонным катализом для управленияподкритичными реакторами деления [1], о которых кратко будет сказанониже.184.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
