Ядерный синтез
Основными недостатками реакторов ядерного деления являются не безопасность эксплуатации, радиоактивные отходы, недостаток ядерного топлива.
Использование ядерных синтез-реакторов позволяет преодолеть указанные недостатки. Наиболее простой реакцией ядерного синтеза является реакция соединения дейтерия и трития
3Т + 2D -» іНе + ‘п.
Для определения количества выделяемой энергии подсчитаем потерю массы компонентов реакции. Масса 3Т составляет 5,00827’ 10_27кг. Масса дейтерия равна 3,3434 • 10-27 кг, поэтому суммарная масса веществ левой части уравнения V3526 • 10-27 кг. Масса компонентов правой части равна 8,3214 • 10-27 кг. Она состоит из массы альфа-частицы (иона гелия) и массы нейтрона 3,12 ■ 10_29кг. При умножении массы дейтерия и трития на квадрат скорости света с2 мы получим общее количество энергии пары веществ 2,8 • Ю-12 Дж. Экспериментальное значение этой величины слегка больше теоретического (2,81 • 10-12 Дж). Это небольшое отличие связано с тем, что в расчетах мы использовали массы атомов, а не ионов. В результате данной реакции с 1 кг смеси тритий-дейтерий можно полхчить 337 ТДж энергии, или 562 ТДж с 1 кг трития.
Энергия, выделяющаяся в ходе реакции, переносится альфа-частицами и нейтронами. Преобразование энергии, связанной с потоком нейтронов, в элек — рнческую может быть осуществлено лишь в тепловом цикле с эффективностью * зло 40 %. Энергия, связанная с заряженными альфа-частицами в принципе ы< ‘жет быть напрямую преобразована в электроэнергию с эффективностью около 90 %. Следует отметить, что поток тяжелых нейтронов вызывает проблемы Г иоактивности и деструкции конструкционных материалов. Следовательно,
важно понять, в каком соотношении энергия разделяется между альфа-частицами и нейтронами. Это соотношение можно определить, приравняв между собой кинетические моменты двух типов частиц:
™ava = m„v„ (13)
и подставив это соотношение в уравнение энергии
1 , 1 ,
— щ V2 н— ні и2 = W = W + W 2 аиа т 2 и и а и •
 |
 |
 |
Здесь та — масса альфа-частицы: тп — масса нейтрона: va — скорость альфа — частицы; vn — скорость нейтрона; W — общее количество энергии пары атомов. Совместно решая эти уравнения, получаем
Из (16) можно вычислить, что нейтроны переносят около 14 МэВ энергии, тогда как более массивные альфа-частицы берут на себя только 3,5 МэВ.
Реакция Т + D является одной из самых популярных в ядерном синтезе, так как она легче всего может быть инициирована. Из-за низкого атомного числа компонентов ядерного топлива реакция дает наименьшие радиационные потери, которые пропорциональны Z2. Однако эта реакция имеет и некоторые существенные недостатки.
1. При данной реакции синтеза появление одного свободного нейтрона соответствует высвобождению 2,8 ■ 10-12 Дж, тогда как при ядерном распаде на 1 нейтрон приходится энергия порядка 10-11 Дж. То есть бомбардирующее воздействие нейтронов на окружающие материалы становится на порядок более мощным. Это приводит к большей наведенной радиоактивности, появлению большего количества дислокаций в кристаллической решетке, образованию водородных полостей и последующему разрушению всего материала.
2. Поскольку, как отмечалось выше, большая часть выделяющейся энергии передается нейтронам, снижаются потенциальные возможности высокоэффективного её преобразования.
3. Хотя дейтерий и не является радиоактивным элементом, тритий имеет значительное время жизни и сохраняет радиоактивность в течение 12 лет. Тритий
имеет свойство «прилипать» к окружающим материалам, замещая обычный водород в молекулах воды.
4. В природе не существует естественных запасов трития, он должен быть получен из лития:
63U +0^ 31Т+4Не + … + 7,7 10-13 ДЖ. (17)
Преобразование одного атома лития соответствует 2,8 • 1012 + 7,7 • 10-13 = = 3,57 • 10-12 Дж. На 1 кг лития выход энергии составляет 350 ТДж.
Мировые запасы лития на данный момент точно не известны. По консервативным оценкам они составляют порядка Ю10 кг. Однако большую часть из них составляет Lx. Необходимый для реакции (17) изотоп 6 Li составляет всего
7,4 % общей массы. Следовательно, мы можем рассчитывать лишь на 740 • 106 кг или 260000 ЭДж энергии.
Для того чтобы облегчить инициирование процесса, реализуются следующие две реакции, протекающие примерно с равной вероятностью:
2D + -> 2Не + 01и + … + 5,23-Ю~13Дж, (18)
2D+2D^ ^Т + ^ + .-. + б^-Ю-^Дж. (19)
 |
 |
 |
Получающийся в реахсции (19) тритий будет реагировать с дейтерием согласно процессу (12). Средний выход энергии по реахсции D + D составляет
Реакция D + D является относительно «грязной», поскольку связана с вы — іелением быстрых нейтронов и радиоактивного газа (трития). Однако в случае этой реакции не требуется дополнительное топливо для получения трития, такое как литий. Здесь используется только дейтерий, который находится на Земле практичесхси в неограниченном количестве. В обычной воде на каждые 6700 мо — лехсул Н20 приходится одна молехсула D20. Из этого легко можно подсчитать, как много дейтерия имеется на Земле.
Океаны занимают приблизительно 2/3 хілощади поверхности Земли, которая равна 5,1 • 10й м2. Принимая среднюю глубину океанского дна 3000 м, получим, что общий объем воды на земле равен 1018 м3, что соответствует 1021 кг. Из них I 9 приходится на водород и 2/6700 на дейтерий. Это соответствует 3,3 • Ю16 хсг, или около 1031Дж. Такие запасы энергии мы можем считать практичесхси неограниченными.
|
Следующей по сложности активации является реакция D + 3Не, которая происходит достаточно чисто: без выделения радиоактивных веществ и нейтронов. Еще одной чистой реакцией считается реакция 3Н + 3Не. Особенностью этой реакции является то, что 3Не не существует в природе в естественном виде и его нужно получать с использованием «грязной» технологии путем синтеза Li и Н. Однако есть предположения, что на Луне находятся миллиарды тонн этого вещества. Тритий поступает на поверхность Луны с солнечным ветром в течение миллиардов лет. На Земле же 3Н задерживается в атмосфере и в конечном итоге испаряется назад в космическое пространство. Рассмотрим интересную реакцию с участием 11В — распространенного изотопа бора: ^Ве + }Н -> Чс’ -> ^Не + *Ве. (21) 1 О Нс Здесь і С — это известный в ядерной физике нестабильный изотоп углерода, который спонтанно делится на альфа-частицу; J Be — крайне нестабильный изотоп с временем жизни 2 • 10-16 с, являющийся источником альфа-частиц: 4ВЄ -> 2^Не. (22) Общая реакция ^Ве+}Н->З^Не (23) или }Н+^Ве+->За. (24) Реакция является тройной альфа-реакцией, и она может лечь в основу создания столкновительного синтез-реактора. Такой реактор до сих пор еще не создан. Если бы он заработал, то мы имели бы экологически чистый ядерный реактор, использующий топливо, которое в изобилии находится на Земле. При этом минимальная мощность у таких реакторов может быть не слишком большой, как, например, у Токамака, который, для того чтобы стабильно работать, по оценкам, должен иметь мощность не менее 10 ГВт. Нужно также отметить, что 10 В дает тройную альфа-реакцию при взаимодействии с дейтерием: l05B+;D^He. (25) Оба рассматривавшихся выше изотопа бора широко распространены в природе, кроме того, они стабильны и нерадиоактивны. Бор, который находится на Земле, на 20 % состоит из 10В и на 80 % из 11В. |
|
Тройная альфа-реакция также может играть важную роль в реакции холодного ядерного синтеза (если такой процесс может существовать в принципе, см. ниже/.
В табл. 1.11 приведены данные о доле энергии, которая передается нейтронам на различных этапах ядерных реакций.
Хотя на данный момент и не существует действующих прототипов реакторов ядерного синтеза, они могут стать основным источником энергии лет через 50. Если это произойдет, то они будут удовлетворять основным потребностям человечества в энергии и позволят избежать будущего энергетического коллапса, связанного с исчерпанием традиционных ископаемых источников энергии.
|
Таблица 1.11. Энергия нейтронов
|