Реклама

Всероссийский конкурс научно-образовательных проектов "Энергия будущего-2005".

 

Номинация: Тайны атомного ядра и материи. Применение достижений ядерной науки, техники и технологии.

 

 

 

Название исследовательской работы:

 

 

«Энергетические реакторы-лазеры»

 

 

 

 

Автор работы:                                       Суховей Светлана Викторовна,

                                                                обучающаяся МОУДОД СЮТ ВК,

                                                             г.Волгодонск, Ростовской области             

                                                                

 

Научный руководитель:                      Банникова Татьяна Ивановна,

                                     ПДО МОУДОД СЮТ ВК,

г.Волгодонск, Ростовской области

               

 

Научный консультант:                        Ситник Тамара Васильевна,

                                                           учитель физики МОУСОШ 22,

                                                           г.Волгодонск, Ростовской области

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва – 2005 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание.

                                                             № Страницы

 

1. Введение.  Актуальность проекта……………………………………………………….  3                                                                                     

2. Исторический обзор……………………………………………………………………….3              

3.Анализ первого этапа поисковых работ…………………………………………………..4

 4.Первые энергетические реакторы-лазеры:

5. Достоинства и преимущества энергетических реакторов-лазеров……………………...8

6. Применение реакторов-лазеров……………………………………………………………8

7. Заключение. Мои предложения о возможном использовании

  реакторов-лазеров…………………………………………………………………………….9

8. Литература…………………………………………………………………………………...11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                        “Я глубоко верю и твёрдо знаю,

что наш народ, наше Правительство

                                                                                             только благу человечества отдадут

                                                                                    достижения атомной науки”.

                                                                                                                                 И.В.Курчатов.

 

 

Цель работы.

     Изучить научную литературу о реакторах-лазерах, расширить свои знания, связавшись творческой перепиской с учёными научных центров, занимающихся этой проблемой, донести всё это до интересующейся наукой молодёжи с целью распространения качественной и достоверной информации о применении ядерной энергии для достижения грамотности населения в вопросах технологий будущего и внести свои предложения.

 

1.    Введение.

      В 80-х годах  ХХ века в научной литературе впервые стал обсуждаться вопрос о возбуждении активных сред лазеров только высокоэнергетическими ядерными частицами или продуктами ядерных реакций.

Проблема эта очень интересна, несёт в себе новизну и перспективу, нацелена на развитие цивилизации и процветанию человечества. Энергетические реакторы-лазеры, несомненно, относятся к технологии будущего. Стремительное развитие цивилизации приведёт к быстрому истощению природных ресурсов. Это грозит энергетическим и продовольственным дефицитом, деградацией обрабатываемых почв. В плане энергетического кризиса здесь, несомненно, помогут АЭС, особенно развитие малой энергетики.

В труднодоступных местах проживания помогут самолокализующие все аварии атомные станции-малютки, как ”Елена”, ”Елена-Турба ”, ” Рута”. А вот реакторы-лазеры помогут:

·        в расчётном и экспериментальном обосновании идеи искусственной лагуны;  

·        регулировать фотосинтез и увеличивать скорость образования биомассы;

·        в увеличении кислорода в атмосфере

·         получать горючие газы, спирт и другие чистые экологические виды топлива, в которых нуждается человечество, особенно, в тех местах планеты, где АЭС по природным причинам невозможны.

       Город Волгодонск, где я живу очень маленький. В библиотеках города и даже политехнического института нет литературы о реакторах-лазерах. Чтобы дополнить сведения о них из имеющихся у меня статей и научно популярных журналах, я стала переписываться по электронной почте с известным учёным-ядерщиком Анатолием Александровичем Синянским, являющимся зам.начальника отделения ИЯРФ ВНИИЭФ (г.Саров) spm111@yandex.ru. А.А.Синянский много лет работает над исследованием и усовершенствованием реакторов-лазеров. Я очень благодарна ему за то, что он ответил на моё письмо, прислал несколько своих монографий и статей о ядерно-лазерных устройствах непрерывного действия. Я преклоняюсь перед учёными, работающими в одной из самых передовых наук современности - ядерной физике. Они в невероятно-трудных условиях современной России творят чудеса, которые сравнимы только с подвигом, рискуя ежедневно своей жизнью

 

 2. Исторический обзор.    

  В научной литературе считается, что впервые ядерная накачка лазеров была продемонстрирована американскими учёными в 1974-1975 гг., однако обсуждение этого

вопроса началось намного раньше. Ядерная накачка лазеров - это возбуждение активных

сред лазеров только высокоэнергетическими ядерными частицами или продуктами ядерных реакций. Первая публикация по ядерной накачке лазеров появилась в 1964 году в бюллетене Американского физического общества, где были представлены теоретические оценки возможности возбуждения продуктами ядерных реакций газовой смеси гелия и неона в потоке тепловых нейтронов ядерного действия. Эти предположения незря подвергались критике, т.к. попытки его экспериментального осуществления не удались.

  Считается, что заявка на изобретение(1951 г.) принадлежит не американцам, а нашим

советским учёным В.А.Фабриканту, М.М. Богаеву и Ф.А. Бутаевой. Они предложили способ усиления электромагнитного излучения в среде, возбуждаемой так называемым       “ вспомогательным излучением”.

       В СССР исследования по Ядерной Накачке Лазеров (ЛЯН) были начаты в конце 60-х годов во ВНИИЭФ, ИАЭ им. И.В.Курчатова и МГУ им.Ломоносова Примерно в конце 70-х годов к экспериментальным исследованиям подключились сотрудники ВНИИТФ. Параллельно с экспериментальными исследованиями, проводили во ВНИИЭФ и проводятся теоретические исследования, направленные на изучение механизмов генерации лазерных сред. Ряд исследований по проблеме Лазеров с Ядерной Накачкой был также выполнен сотрудниками МИФИ и ФЭИ.

        В 1972 году в американском научном журнале”AIAA Journal”появилась обзорная

статья К.Тома и Р.Шнайдера “газовые лазеры с ядерной накачкой”, в которой рассматривались конкретные схемы ядерно-лазерных устройств с прямым преобразованием энергии ядерных реакций в лазерное излучение. Авторы не назвали эти установки реакторами-лазерами (РЛ), хотя по существу впервые рассматривались энергетические РЛ, работающие в непрерывном режиме. Авторы признавали, что для поиска подходящих для ядерной накачки сред потребуется много времени.

  Впервые установки, которые рассматривали К.Том и Р.Шнайдер назвали реакторами-лазерами сотрудники Института общей физики АНРФ - С.И.Яковленко и др. Они отметили их основные особенности и отличия от традиционных ядерных реакторов.

 

3. Анализ первого этапа поисковых работ. 

Советские учёные В.А.Фабрикант, М.М.Вудынский и Ф.А.Бутаева ещё полвека назад заявили об использовании примесей, “ избирательно разрушающих частицы, находящиеся в нижних энергетических состояниях”, а также об использовании ”, явление рекомбинации электронов и ионов для получения частиц на верхних энергетических состояниях”.

Предвидение наших учёных-физиков удивительные, поскольку до создания даже первых лазеров с оптической (рубин) и электрической (гелий-неон) накачкой прошло всего десять лет. А уже через двадцать лет были созданы первые плазменные лазеры с ядерной накачкой (ЛЯН), правда механизм их работы будет учёными отработан позднее.

На первом этапе поисковых работ основное внимание привлекали лазеры на основе конденсированных сред- это стекло с примесью неодима или жидкие среды. В таких средах тормозной путь высокоэнергетических ядерных частиц не превышает размеров лазерно-активных элементов. Однако конденсированные среды при облучении ядерными частицами, теряли качества лазерной среды и возможность достичь в них высоких уровней мощности лазерного излучения оказалась неэффективной.

Группа учёных в области лазеров с ядерной накачкой из университета Миссури (США) пошла другим путём. Этот путь состоял в промежуточном преобразовании ядерной энергии в другой вид энергии, а затем её преобразования в лазерное излучение.

Но исследователи ВНИИЭФ пошли более сложным путём, но эффективным на данный момент. Они нашли лазерную среду, не теряющую своих лазерных свойств в интенсивных полях ядерных излучений. Лазерный эффект стал возможным благодаря использованию радиационно-стойких конденсированных сред и очень высоких уровней потоков нейтронного и γ - излучения импульсных реакторов на быстрых нейтронах. И хотя приоритет в создании первых лазеров с ядерной накачкой пришлось уступить американским учёным опыты наших учёных-ядерщиков ВНИИЭФ заставляют гордиться достижениями в этой области науки, несмотря на недостаточное финансирование.

 

4. Первые энергетические реакторы-лазеры.

Группа учёных-исследователей ВНИИЭФ  в своих первых опытах осуществила непосредственное, возбуждение газовых смесей гелия и ксенона осколками деления урана, нанесённого в виде тонкого слоя на внутреннюю поверхность лазерной кюветы.

     Кювету поместили в нейтронный поток импульсного ядерного реактора ВИР-2.

В 1974-1976 гг., проводятся эксперименты на реакторе ТИБР-1М. Здесь используется лазерная кювета с более прочными к механическим нагрузкам слоями из окиси-закиси урана-235. Увеличивается предельная удельная мощность накачки лазерной среды до 1кВт в кубический см., а длительность нейтронного импульса составила почти 1мс. Мощность лазерного излучения достигла значений 1-2 кВт, а КПД  по отношению к вложенной энергии-0,8%. В исследованиях на реакторе ТИБР-1М была показана

возможность создания ядерно-лазерных устройств на базе импульсных ядерных реакторов с очень высокими уровнями нейтронных потоков. Возник вопрос о возможности создания такого устройства.

                                          

·        Лазерная установка ЛУНА-2

Создание устройства в активной зоне промышленного энергетического реактора, где нейтронные протоки на два-три порядка меньше привели к тому, что нашими российскими исследователями в 1975 г. была разработана двухканальная лазерная установка ЛУНА-2 на базе импульсного реактора ВИР-2.

     Общий вид установки ЛУНА-2М представлен на рис 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    Длина активной части её каналов составляет 2м. Расположение лазерной кюветы под активной зоной реактора на расстоянии около 1м позволяет получить равномерное облучение нейтронами на большей части её рабочей длины.

Установка работает и в настоящее время.

 

Главные научные достижения установки:

·        Получение высоких значений КПД до 2,5%

·        Возможность работы лазерно-ядерной накачки при нейтронных потоках.

Эти потоки достигаются на периферии активных зон во всех энергетических и исследовательских ядерных реакторов непрерывного действия. Затем создаются лазерные установки ЛУНА-2П, ЛЯН-2Т. В 1985 г. Впервые в мире накачка неонового лазера была осуществлена в ВНИИЭФ. Подробные исследования были выполнены на установке ЛУНА-2М.

 

 

 

 

В начале 1980-х годов учеными ВНИИЭФ для создания ядерно-лазерного элемента, работающего в непрерывном режиме в условиях, реализуемых в энергетических ядерных реакторах, были решены задачи:

В 1994 году подобный модуль на реакторе БИГР был запущен и прошёл первые испытания, что показало правильность физических принципов и технических решений, заложенных в основу работы энергетических реакторов-лазеров непрерывного действий. 

Общий вид установки  ЛМ-4  на рис 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реактор-лазер - это автономные устройства, совмещающие функции лазерной системы и ядерного реактора.

Активная зона (АЗ) реактора-лазера является набором определенного количества лазерных ячеек, размещенных определенным образом в матрице замедлителя нейтронов. Количество лазерных ячеек может составлять от сотен до нескольких тысяч штук. Общее количество урана - от 5-7 кг до 40-70 кг, линейные размеры 2-5 м.

Поперечные размеры лазерных ячеек определяются длиной пробега осколков деления в газе. Прокачка может быть продольной (вдоль оси кюветы) и поперечной (поперёк оптической оси кюветы). Поперечная прокачка позволяет снизить скорости газового потока, получить лазерные излучения высокого оптического качества.

Реакторы–лазеры с выносом тепловой энергии за пределы активных зон, т. е. без ограничения по энергетике уже разработаны во ВНИИЭФ.

В качестве простейшего примера выступает теплоемкостный реактор лазер с малой   энергонапряжённостью и имеет простейшую конструкцию на рис 3.     

 

 

В качестве замедлителя используется бериллий. Длина лазерных ячеек-2м, а их количество около 1000.

Реактор-лазер цилиндрической формы имеет диаметр всего 2м. Мощность лазерного излучения около 200 кВт. В центральном канале размещаются органы управления реактора. Для выравнивания нейтронных потоков активная зона окружена отражателем нейтронов из бериллия. После 100с работы необходима пауза (около 1 часа) для охлаждения РЛ.

 

·        Реактор-лазер непрерывного действия

Реактор-лазер для промышленного применения при мощности лазерного излучения 1МВт должен содержать около 3000 лазерных ячеек. Возможная схема реактора-лазера приведена на рис 4.

     

        Реактор-лазер имеет сменные лазерные модули, составляющие активную зону РЛ. Лазерный модуль с поперечной прокачкой состоит из циркониевых коробов с нанесёнными на их поверхности полосами урановых слоёв. Пластинчатые радиаторы из бериллия или алюминия. Этот лазерный комплекс также включает в себя оптические системы формирования лазерного излучения, систему транспортировки к объекту воздействия, систему управления и защиты реактора, а также систему управления лазерным излучением, периферийные системы прокачки и охлаждения лазерной среды и теплоносителя.

 

 

 

        В настоящее время сформировалась концепция РЛ как ядерно-физического устройства, в котором в результате совмещения лазерной среды с ядерно-активной зоной происходит прямое преобразование ядерной энергии в лазерное излучение без промежуточных стадий преобразования в другие виды энергии. Для создания квазинепрерывного или непрерывного РЛ необходимо решить ряд основных проблем:

1. поиск и исследование газовых ЛЯН с целью оптимизации их энергетических параметров (увеличение КПД и удельной мощности генерации, снижение пороговой мощности накачки).

2.  изучение газодинамических и оптических характеристик лазерных сред в условиях ядерной накачки и прокачки лазерной среды в объёме резонатора.

3.   разработка конструкции лазерной ячейки как основы РЛ и изучение её характеристик

4.   разработка модели РЛ как ядерно-физического устройства, осуществляющего прямое преобразование ядерной энергии в лазерное излучение.

 

5  Достоинства и преимущества энергетических реакторов-лазеров.

Преимущества реакторов-лазеров перед другими типами лазерных систем обусловлены высокой удельной и абсолютной энергоёмкостью, практически недостижимой в других типах лазеров.

Реакторы-лазеры обладают гибкостью управления. Компактность и надёжность, простота конструкции, высокая (или полная) автономность системы. Многократные повторные пуски не требуют дополнительного расхода топлива, лазерных сред, возможность создания очень высоких мощностей лазерного излучения и длительных пусков.

Реакторы-лазеры безопасны с точки зрения их хранения, т.к. в них отсутствует химически агрессивные среды и малое количество урана. Они безопасны в эксплуатации и для экологии, ограничены в шуме.

Полученные во ВНИИЭФ энергетические параметры лазеров в 2-3 раза превышают параметры аналогичных лазеров, исследованных за рубежом.

Реакторы-лазеры, работающие в непрерывном режиме могут вырабатывать кроме традиционных видов энергии ещё и световое, в частности, лазерное излучение. Недостаток, связанный с наличием радиационных полей при работе реактора-лазера, нейтрализуется достаточно простыми средствами биологической защиты. Но при всех достоинствах нельзя забывать, что реакторы-лазеры могут принести непоправимый вред здоровью человека и экологии при допущении инженерной ошибки в расчётах или управлении. Всё, что связано с радиацией не терпит просчётов и халатного к себе отношения.

 

6. Применение реакторов-лазеров

Множество возможных применений лазеров непрерывного действия относится и к реакторам-лазерам.

Мощные РЛ могут применяться в научных исследованиях, промышленности, медицине, в различных областях народного хозяйства.

 

Возможные применения реакторов-лазеров:

·        снабжение энергией спутников и космических объектов;

·        лазерные ракетные двигатели для старта с Земли и межпланетных полётов, что в корне меняет экологическую проблему в лучшую сторону в окрестностях запуска ракет;

·        вывод полезных грузов на космические орбиты (даже лазер непрерывного действия мощностью до 10МВт) способен выводить на низкую орбиту до 14 кг полезного груза;

·        резка и сварка различных конструкций в качестве инструмента при создании дорогостоящих установок (корпуса ядерных реакторов, корпуса подводных лодок, ледоколов и т.д.);

·         очистка космоса от отработавших ядерно-энергетических установок;

·        для лечения желтухи у новорожденных;

·        фотодинамическая диагностика и терапия онкологических заболеваний;

·        утилизация экологически опасных установок (ядерных реакторов  АЭС, ледоколов и подводных лодок);

·        утилизация особо прочных и толстостенных конструкций, разделка которых традиционными способами затруднена или невозможна;

·        оперативном ремонте дорогостоящих установок с непрерывным циклом работы (ядерные и химические реакторы, прокатные станы и т.п.);

·        ликвидация последствий аварий, требующих дистанционного воздействия, особенно связанных с радиоактивным заражением.

 

7.  Заключение.

Учёные России и США разрабатывают идею преобразования ядерной энергии в оптическое излучение газовых сцинтилляторов. Они надеются с помощью этого излучения, выведенного за пределы ядерного реактора, возбуждать лазерные элементы, например на основе стекла, активированного неодимом. Я уверена, что нашим исследователям удастся найти эффективный сцинтиллятор, излучающий в нужном спектральном диапазоне, и тогда можно решить ряд физических и технологических вопросов вывода светового излучения за пределы активной зоны ядерного реактора.

И это будет успех в создании мощного ядерно-лазерного устройства.

 

Мои предложения использования реакторов-лазеров.

Реакторы-лазеры относятся к технологиям будущего. Неоценимый, титанический труд учёных-ядерщиков, труд, связанный с риском для жизни, позволил создать реакторы-лазеры, которые, несомненно, принесут огромную пользу для человечества.

Я считаю, что возможные применения реакторов-лазеров:

·        очистка космоса от мусора;

·        низкие положительные температуры и световые потоки позволяют создать «полярный день» во время полярной ночи;

·        снабжение энергией космических лабораторий и спутников на темной стороне Луны;

·        снабжение энергией ледоколов и подводных лодок;

·        снабжение энергией метеостанций и научно-исследовательских станций на полюсах;

·        фотохимия.

Стремительное развитие цивилизации приведёт к быстрому истощению природных ресурсов. Это грозит энергетическим  продовольственным дефицитам, деградацией обрабатываемых почв.

Считаю, что одной из возможных областей применения ядерно-оптических преобразователей является фотохимия, где особое значение имеет фотосинтез, благодаря которому образуется живая материя на Земле. Ядерно-оптический преобразователь, я думаю, на определённой части пространства в состоянии воспроизводить условия для развития растений подобно солнечной энергии, ведь спектр поглощения хлорофилла и спектр излучения гелий-неоновой плазмы фактически совпадают. Поэтому реакторы-лазеры в будущем,  я думаю, помогут:

·        сделать возможным ” резонансную накачку ” молекул, регулирующих фотосинтез;

·        увеличить скорость образования биомассы, что очень важно для того, чтобы

      прокормить население планеты;

·        в расчётном и экспериментальном обосновании идеи искусственной лагуны;

·        в получении кислорода для нужд медицины и сельского хозяйства;

·        в увеличении кислорода в приземном слое воздуха, так как лесные ресурсы

      катастрофически исчезают;

·        получать горючие газы, спирт и другие чистые экологические виды топлива, в

      которых так нуждается цивилизация;

·        создать микроскоп, работающий в диапазоне мягкого ренгена, который не будет  

      разрушать живую ткань;

·        снизить суммарный выброс парникового эффекта;

·        остановить изменение климата на планете Земля;

·        защита урожаев от саранчи и других вредителей;

·        ликвидация «черных дыр» в атмосфере;

·        обнаружение объектов в тумане, под водой, под землей, что очень важно для военных и МЧС;

·        ликвидация столкновений Земли  с кометами и другими космическими объектами;

·        поиск пропавших с экрана радара самолетов.

С  помощью реакторов-лазеров можно следить за ядерными взрывами даже других стран, что важно для обороны страны, а также заранее предсказывать природные катастрофы, чтобы больше не повторялись такие чудовищные беды, как цунами в Юго-восточной Азии.

Может мои предложения, покажутся сейчас несбыточной фантазией, может быть в чём-то я не права,  т.к. у меня не хватит знаний по ядерной физике, но я очень хочу знать больше и учиться дальше. Моя мечта поступить в ВУЗ и продолжить изучать неизведанные тайны ядерной энергии. Я уверена, что в России есть научно-технический потенциал, способный реакторы-лазеры заставить работать в будущем на блага

человечества, только надо правительству наконец-то повернуться лицом к Отечественной науке, финансировать разработки учёных на должном уровне, не сокращать научно-исследовательские институты.

И тогда учёные-ядерщики вместе с исследователями других областей науки сделают всё, чтобы не нарушить экологического равновесия, и их изобретения принесут людям только пользу, а не страх и угрозу радиоактивного заражения.

Московские ученые-ядерщики вместе с учеными научного центра города Томска уже создали лазеры по мощности равные крупным АЭС. И это мировая сенсация! Это сопоставимо подвигу. А из двадцати приоритетных научных проблем в области новейших технологий, выделенных США в первых пяти лидируют наши ученые. Ядерные реакторы лазеры входят в эту пятерку. Россия может гордиться нашими учеными!

Я считаю, что люди, привыкнув к тому или иному виду современной техники, не должны забывать о её физических истоках и о титаническом труде учёных и инженеров, результатом которого она явилась. В наше время это имеет прямое отношение к ядерной технике.

 

 

 

 

8. Литература.

1.      Ядерную энергию на блага человечества: И.В.Курчатов

       Москва. Атомиздат 1978 г.

2.      Радиация, жизнь, разум: В.А.Беймен, А.С.Боровик

Ростов-на-Дону, 2001 г.

3.      Энергетические реакторы-лазеры: Статья А.А.Синянского.

      Журнал Атом, 2003 г.

4.      Реди Дж. “Промышленные применения лазеров”. М.: Мир, 1981 г.

5.      Сэм М.Ф.”Лазеры и их применение”

6.      Соровский Образовательный Журнал. 1996 №6. С. 92-98.

7.      Воинов А.М., Довбыш Л.Е., Кривоносов В.Н., Мельников С.П., Подмошенский И.В., СинянскийА.А. Гелий - криптоновый лазер высокого давления, возбуждаемый осколками деления урана. - ЖТФ,1982, т.52, вып.7, с.1346-1350.

8.      Воинов А.М., Кошелёв А.С., Мельников С.П., Синянский А.А. Квазинепрерывный газовый лазер, возбуждаемый быстрыми нейтронами. - Письма в ЖТФ, 1990,т.16, вып.13, с.86-89.

9.      Воинов А.М., Конак А.И., Мельников С.П., Синянский А.А. О возможности создания непрерывного лазера с радиоизотопным источником накачки.- Квантовая электроника, 1991, т.18, вып.11, с.1297-1299.

 

Hosted by uCoz