2014-01-27
708
В настоящее время существует множество методов промышленного производства водорода: из природного газа, газификация, электролиз воды, водород из биомассы, за счет атомной энергии.
Ведутся работы по созданию атомных электростанций следующего поколения, которые могут быть источником водорода. Исследовательская лаборатория INEEL (Idaho National Engineering Environmental Laboratory, США) прогнозирует, что один энергоблок атомной электростанции следующего поколения будет производить ежедневно водород, эквивалентный 750000 литров бензина.
Департамент Энергетики США (DОE) прогнозирует, что стоимость водорода сравняется со стоимостью бензина к 2015 году.
Водородные топливные элементы, одним из основных достоинств которых является высокий КПД, имеют и свои слабые стороны. В частности, высокую стоимость и повышенные требования к чистоте используемого водорода. Получение же высокоочищенного водорода, в свою очередь, ведет к снижению общих экономических показателей водородной энергетики. Это является существенным сдерживающим моментом в развитии, например, применения водородных топливных элементов на автомобилях. В этой связи, в России, как и в других странах, ведутся работы и по непосредственному использованию неочищенного топливного водорода в обычных ДВС.
Управляемый термоядерный синтез (УТС) – это синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который носит управляемый характер в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерном оружии). Солнце — природный термоядерный реактор. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра.
Соглашения, регламентирующие создание ИТЭР, были подписаны в Париже в ноябре 2006 г. по итогам переговоров делегаций России, Евросоюза, Индии, Китая, Южной Кореи, США и Японии.
ИТЭР будет построен в Кадараше на юге Франции. Его строительство должно продлиться десять лет, после чего реактор предполагается использовать в течение 20 лет. Общая стоимость проекта оценивается примерно в 10 млрд долл., из которых 40% внесет Евросоюз, а 60% - в равных долях остальные участники проекта. Российский вклад в проект составит до 10% его стоимости.
ИТЭР работает благодаря термоядерному синтезу. Фактически ученые ставят перед собой задачу повторения в лабораторных, а затем и в промышленных условиях процессов, происходящих на Солнце: слияние ядер изотопов водорода - дейтерия и трития - приводит к образованию химически инертного гелия и сопровождается выделением большого количества энергии.
Энергия при использовании одного грамма дейтерий-тритиевого топлива теоретически эквивалентна получаемой при сжигании восьми тонн нефти.
По словам экспертов, ИТЭР не представляет никакой проблемы для безопасности окружающей среды и человечества, он не содержит элементов, позволяющих создать атомную бомбу.
В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий (2H) и тритий (3H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (3He).
Самая легко осуществимая реакция - дейтерий + тритий:
2H + 3H = 4He + n
Существенно сложнее, на пределе возможного, осуществить реакцию дейтерий + гелий-3:
2H + 3He = 4He + p.
Так же возможны реакции между ядрами дейтерия, они идут немного труднее реакции с участием гелия-3:
2H + 2H = 3H + p
и
2H + 2H = 3He + n.
Эти две реакции медленно протекают параллельно с реакцией дейтерий + гелий-3, а образовавшиеся в ходе них тритий и гелий-3 с большой вероятностью немедленно реагируют с дейтерием.
Рассмотрим возможности осуществления обеих реакций.
Перспективная термоядерная энергетика, использующая в качестве основы реакцию синтеза «дейтерий-тритий», имеет ряд существенных недостатков.
Во-первых, при этой реакции выделяется куда большее (на порядок!) число нейтронов с высокой энергией (14 Мэв), чем в ядерной энергетике. Столь интенсивного нейтронного потока ни один из известных материалов не может выдержать свыше шести лет – при том, что имеет смысл делать реактор с ресурсом как минимум в 30 лет. Следовательно, первую стенку тритиевого термоядерного реактора необходимо будет несколько раз заменить в процессе эксплуатации – а это очень сложная и дорогостоящая процедура, связанная к тому же с остановкой реактора на довольно длительный срок.
Во-вторых, от мощного нейтронного излучения необходимо экранировать магнитную систему реактора, что усложняет и, соответственно, удорожает конструкцию.
В-третьих, многие элементы конструкции тритиевого реактора после окончания эксплуатации будут высокоактивными и потребуют захоронения на длительный срок в специально созданных для этого хранилищах.
В-четвертых, источников трития в природе нет, тритий придётся нарабатывать непосредственно на реакторе, что потребует дополнительных усилий, связанных с радиохимией, т.е. дополнительные сложности. Кроме того, в реакции «дейтерий-тритий» 80% выхода энергии приходится на нейтроны, и лишь 18% – на заряженные частицы, что уменьшает КПД термоядерного энергетического реактора.
В случае же использования в термоядерном реакторе дейтерия с изотопом гелия-3 вместо трития большинство проблем удается решить. Интенсивность нейтронного потока падает в 30 раз – соответственно, можно без труда обеспечить срок службы в 30–40 лет. После окончания эксплуатации гелиевого реактора высокоактивные отходы не образуются, а радиоактивность элементов конструкции будет мала.
В чем же проблема? Почему мы до сих пор не используем такое выгодное термоядерное топливо?
Прежде всего, потому, что на нашей планете изотопа гелия-3 чрезвычайно мало. Рождается он на Солнце, отчего иногда называется «солнечным изотопом». Его общая масса там превышает вес нашей планеты. В окружающее пространство гелий-3 разносится солнечным ветром. Магнитное поле Земли отклоняет значительную часть этого ветра, а потому гелий-3 составляет лишь одну триллионную часть земной атмосферы – примерно 4000 т. На самой Земле его еще меньше – около 500 кг.
На Луне этого изотопа значительно больше. Там он вкрапляется в лунный грунт «реголит», по составу напоминающий обычный шлак. По различным оценкам в лунном грунте содержится около миллиарда тонн 3Не, из-за этого его зовут лунным гелием. Этого хватит Земле на 50 млн лет. Столько человечество еще и не живет.
Кроме Луны, гелий-3 можно найти в плотных атмосферах планет-гигантов, и, по теоретическим оценкам, запасов его только на Юпитере хватило бы для энергетики Земли до скончания времен.
На пути к созданию энергетики на основе гелия-3 есть одна немаловажная проблема. Дело в том, что реакцию «дейтерий-гелий-3» осуществить гораздо сложнее, чем реакцию «дейтерий-тритий». В первую очередь, необычайно трудно поджечь смесь этих изотопов. Расчетная температура, при которой пойдет термоядерная реакция в дейтерий-тритиевой смеси, – 100-200 миллионов градусов. При использовании гелия-3 требуемая температура на два порядка выше. Фактически мы должны зажечь на Земле маленькое солнце.
Впрочем, зажечь смесь еще полдела. Минус термоядерной энергетики – сложность получения практической отдачи, ведь рабочим телом является нагретая до многих миллионов градусов плазма, которую приходится удерживать в магнитном поле.
Эксперименты по приручению плазмы проводятся уже многие десятилетия, но лишь в конце июня 2006г. в Москве представителями ряда стран было подписано соглашение о строительстве на юге Франции в городе Кадараш Международного экспериментального термоядерного реактора (ITER) — прототипа практической термоядерной электростанции. В качестве топлива ITER будет использовать дейтерий с тритием.
Термоядерный реактор на гелии-3 будет конструктивно сложнее, чем ITER, и пока его нет даже в проектах.
