Български English [beta]
Здравей, гостенино. (вход, регистрация)
Екип Партньори Ресурси Статистики За контакт
Добави в любимиПредложи статияКонкурсиЗа рекламодатели
Начало
Форум
Към Кратки
Всички статии
 Литература
 Музика
 Филми и анимация
 На малкия екран
 Публицистика
 Популярни
 Кулинария
 Игри
 Спорт
 Творчество
 Други
Ключови думи
Поредици
Бюлетин

Търсене

Сивостен :: Енергетика на бъдещето: Управляем термоядрен синтез (статия) - Енергетика, Физика, Управляем термоядрен синтез
Енергетика на бъдещето: Управляем термоядрен синтез

Автор: Иван Ж. Атанасов, събота, 03 януари 2009.

Публикувано в Статии :: Популярни; Предложи Гледна точка

Намали размера на шрифтаУвеличи размера на шрифта

Как би изглеждал светът без енергия? Шопите навярно щяха да продължават да търгуват с Пазарджик, тръгвайки рано сутрин с натоварените каруци, за да стигнат късно вечер. Морето или туристическото посещение на Лондон, какво ли остава за Ню Йорк пък щеше да е мираж. А не е тайна, че традиционните енергоизточници ще бъдат изчерпани, при това в не толкоз далечното бъдеще. Към тях трябва да добавим ядреното гориво, което действително в последно време се използва по-ефективно, но дори изключвайки нарастващите енергийни нужди и намаляването на други източници за задоволяването им, дори то ще бъде изчерпано в близките няколкостотин години.

Възстановяемите енергоизточници пък продължават да бъдат незадоволителни като мощности и страничните проблеми от тях тепърва ще се усещат. Къде тогава е ключът от палатката за модерно общество в бъдеще време? Най-обещаващата перспектива се крие в управлявания термоядрен синтез. Всички сме запознати с този израз, но колко от нас действително знаят за какво иде реч? Предполагам не много. Така че, нека кажем нещо повече за него.

Известно е, че енергията в ядрата на атомите може частично да се освобождава и има голям енергиен потенциал. Това става и при два типа ядрени реакции – на делене на тежки ядра на по-леки, на които са базирани настоящите ядрени инсталации, както и при реакция на сливане на леки ядра в по-тежко. В конкретния материал нас ни интересува именно втория случай – синтезът. При това контролируемият такъв. Защото другият случай казва „бау”, заличава каквото има за заличаване, и ни е познат под кодовото название водородна бомба.

Докато ядрените реактори са източник на големи количества дългоживущи радионуклиди, чието безопасно съхраняване и преработка продължава да бъде сериозен проблем, то реакцията на ядрен синтез не води до производството на опасни странични продукти. Ако добавим към списъка, че производството на електроенергия в термоядрени инсталации не води до отделяне на парникови газове, и трите положителни страни на практическото приложение на този принцип стават ясни – намалени парникови емисии, заобикаляне на проблема с изчерпването на горивата в световен мащаб и по-безопасна технология.

Като всеки реактор и термоядреният се нуждае от гориво. Горивото в нашият случай е деутерий-тритиев газ. Деутерият и тритият са изотопи на водорода. Първият се намира в изобилие на Земята съдържа в обикновената вода в съотношение 1:7000 спрямо водорода и може лесно да се извлича от нея. Другият компонент необходим за реакцията обаче е радиоактивният тритий, който не се среща в природата. За щастие, литият за сметка на това се среща в изобилие, и от него се получава необходимият ни водороден изотоп по време на самата реакция. За целта е необходимо само в реактора да има литий, която се облъчва с неутрони излъчвани от плазмата. Така че на практика, въпреки че не участва пряко, този елемент заедно с деутерия формират горивото на един термоядрен реактор.

За да се осъществи реакцията на ядрен синтез двете сливащи се ядра трябва да се доближат толкова близка едно до друго, че да започнат да действуват ядрените сили между нуклоните. Но подобно сближаване е невъзможно, без да се противопоставят силите на електростатично отблъскване между положително заредените ядра. За това е необходимо сливащите се ядра да притежават достатъчно кинетична енергия, което означава висока температура, което заедно с ограничения обем, при хаотичното топлинно движение означава сблъсъци и сливане, което е именно целта.

За да се преодолее електростатичното отблъскване между деутериевите ядра обаче е необходима наистина висока температура, при която той се превръща в плазма – равнокомпонентна, неутрална смес от бързи деутериеви ядра и електрони. Въпреки че не ни е необходима чак толкова висока температура, тъй като е достатъчно само част от ядрата да влязат в контакт помежду си, удържането на плазмата си остава проблем. На Земята не е известно вещество, което да издържа на плазмените температури. А дори да имаше, тя има достатъчно висока топлопроводимост, че при контакт със стените на съда, който я удържа да я охлади до степен, при която протичането на реакция е невъзможно.

За щастие, както споменахме, в това състояние веществата се разделят на магнитно заредени частици – ядра и електрони, заради което именно е възможно прилагането на една хитрост – използването на мощни магнитни полета за удържане на плазмения шнур. Това е възможно, защото заредените частици се движат в магнитно поле по витлови линии около силовите линии на полето.

Преди да минем към практическата конструкция на реакторите от типа токамак, нека кажем все пак как се получава плазмата. Горивото се внася в реактора в газообразно състояние и казахме, че при достигане на необходимата за реакцията температура то променя състоянието си от газ в плазма. Как обаче може да се достигне тя? Например с внасяне на ток и използване на съпротивлението на плазмата. Най-простият аналог е електрическият котлон, при който също се използва високото съпротивление за нагряване. Могат да се използват и ускорени потоци от деутериеви и тритиеви йони, които се внасят в плазмата. С цел да не се нарушава задържащото магнитно поле, се използват електрически неутрални лъчи. В плазмата лъчите се йонизират и бързите йони предават енергията си.

Възможно е да се използват и радиовълни. Йоните и електроните на плазмата се въртят в линиите на магнитното поле удържащо плазмения шнур. Енергия може да бъде предавана в определени нейни части, благодарение на ефекта на резонанс с въртенето на йоните. Един от начините остават и микровълните, като тук тривиалният аналог е – познахте – микровълновата печка. И остава плазменото самоподгряване, което се основава на факта, че хелиевите ядра, отделени при реакцията, остават в магнитното поле и тяхната енергия може да се използва, за да продължи подгряването на плазмата и респективно поддържането на процесите на ядрен синтез.

Споменахме токамак, нека кажем още малко и за него. Това е термоядрен реактор с магнитно удържане на плазмата, разработен в СССР в началото на петдесетте години, и получил най-широко разпространение. Основна причина за това е простотата на идеите заложени в конструкцията му. Вече над петдесет години теоретични и експериментални изследвания, провеждани в различни страни, доведоха токамакът до условията достатъчно близки, та да се надяваме, че може на негова база да има не само работещ управляем термоядрен реактор, но и енергийно ефективен.

Да започнем от името - названието токамак е дадено от И. Головин и Н. Явлинский и означава “тороидальная камера магнитная”. Както личи от него в тази конструкция се използува тороидална, или с думи прости пръстеновидна, камера, в която деутерий-тритиевата плазма се загрява до необходимата висока температура, за да се реализира управляема реакция на ядрен синтез по вече описания начин. Полето за удържане на плазмения шнур се създава от суперпозицията на тороидално поле, създадено от намотки върху пръстеновидната камера, по които се пуска силен ток и полоидално поле, силовите линии на което са концентрични на малкото сечение на тороида. Второто се създава от протичащ в самата плазма ток, насочен по оста на пръстена.

Това, че магнитните силови линии в токамака са винтообразни, е от съществено значение за устойчивостта на плазмата. Насоченото по оста на тора магнитно поле не е пространствено еднородно, или иначе казано то е по-силно в близост до вътрешната стена пръстена и по-слабо в при външната. Това води до движение на електроните и на йоните на плазмата по вертикалата и големи загуби на частици и охлаждане на плазмата. Когато силовите линии са витлови, обаче, частиците периодично попадат в области със силно магнитно поле, всеки път, когато са в близост до вътрешната стена на камерата и в области със слабо поле - когато са до външната. Така първият ефект се неутрализира и плазменият шнур се удържа ефективно далеч от стените на камерата. За допълнително стабилизиране на плазмата се използва система от коректиращи намотки, с които може да се управлява формата и положението в пространството на плазмата.

В един токамак трябва да се създава силно магнитно поле в голям обем и енергията необходима за това е огромна. Има начин да се намали значително консумираната от електромагнита мощност - за целта могат да се използват магнити със свръхпроводящи намотки. Споменахме основните начини за подгряване на плазмата, но проблемите далеч не свършват до тук.

Сериозен такъв се корени отново в магнитното удържане на плазмата - загубата на частици поради плазмени неустойчивости. Те се делят на магнитохидродинамични и микронеустойчивости. При първите плазмата образно казано има поведението на течност, като в нея възникват съвместни движения на големи групи електрони и йони, или своеобразни \"вълни\", които могат да доведат до изхвърляне на вещество върху стените на камерата.

При микронеустойчивостите имаме турбулентно движение на плазмените електрони и йони, което води до възникване на силни локални електрични полета. Заредените частици се разсейват и следва дифузия на плазмата напреко на линиите на удържащото магнитно поле. Докато на класическата дифузия, дължаща се на стълкновенията между частиците на плазмата може да се въздейства чрез увеличаване на силата на полето, то при аномалната дифузия подобен метод не е приложим.

Как се произвежда енергия обаче. За сега все още не ни е познат по-добър начин от този използван в класическите топлоелектрически централи. При работата на реактора се отделят огромни количества топлина. По специална кухина във външната част на реакторната камера се пуска течност, която от топлината се загрява. Налягането и температурите се повишават и при напускане на камерата то е стотици пъти по-голямо, когато попада в турбина с генератор, който произвежда електричеството. Отнетата от водата енергия е нищожна част от произведената, така че такива кухини има от всички страни на камерата и произведената от тях топлинна енергия се трансформира в електрическа от десетки генератори.

На 29 януари преди две години, във Франция започна подготовката на площадката за първият реактор от този тип, който по план ще произвежда повече енергия, отколкото консумира. От тогава до сега е извършена доста работа и доста от елементите, които до скоро съществуваха само на чертожна дъска, са доставени. Така че може би 12-милярдният хазартен залог все пак ще се изплати, за да имаме по-чиста енергия за по-дълго време.






Допадна ли ви този материал? (16) (1) 6438 прочит(а)

 Добави коментар 
Ако сте регистрирани във форума можете да коментирате и тук

Име:
Текст:
Код:        

 Покажи/скрий коментарите (2) 



AdSense
Нови Кратки @ Сивостен


Реклама


Подобни статии

Случаен избор


Сивостен, v.5.3.0b
© Сивостен, 2003-2011, Всички права запазени
Препечатването на материали е нежелателно. Ако имате интерес към някои от материалите,
собственост на сп. "Сивостен" и неговите автори, моля, свържете се с редакционната колегия.