Министерство общего и профессионального образования Свердловской области
Заречное муниципальное образовательное учреждение
«Средняя школа №2 с углублённым изучением английского языка»
Открытые Курчатовские Чтения в Заречном- 2006
Международный конкурс « Энергия будущего 2006»
Шифр 04070
Космические корабли с
термоядерными реакторами.
Исполнитель: Григорьев Денис Сергеевич
Ученик 10 «А» класса, Школа №2
Консультант: Тихонова Тамара Егоровна
учитель химии высшей категории, школа №1
г. Заречный
2006.
Оглавление
1.Введение………………………………………………………………………...3
2.Основная
часть………………………………………………………………...4
3.Заключение……………………………………………………………………..7
4.Список
литературы……………………………………………………………8
Работа заслушана на Курчатовских чтениях в Заречном, рекомендована на конкурс «Энергия будущего – 2006»
Введение
История атомной энергетики насчитывает всего лишь несколько
десятилетий. Но за это время человечество совершило огромный скачок не только в
области атомного ядра, но и в других областях науки: материаловедении,
электротехнике.… От ядерной бомбы к термоядерной, кобальтовой, нейтронной. Вот
уже и ядерные реакторы, казавшиеся верхом воплощения человеческой идеи 50 лет назад, скоро
сменятся новыми – термоядерными.
Цель моей работы: помечтать о
недалёком будущем. Циолковский мечтал о полётах в космос, его мечты воплотились
в жизнь. Моя мечта – полёты в космосе на корабле с термоядерным реактором.
Задача: Изучить
появившуюся литературу, осмыслить её и создать работу.
Актуальность темы: Человек должен мечтать о светлом
будущем, тогда он выживет.
2.Космические
корабли с термоядерными реакторами.
Скептики
говорят, что нам до термоядерных, ‘ как до Пекина ’. Но факты говорят об
обратном: уже имеется множество наработок, проектов, идет строительство. Тем
более, что термоядерные реакторы уже запускали в нескольких странах.
Правда все они работали не больше 20
секунд ( тогда происходили сбои из- за нестабильного состояния плазмы ). Но
сейчас, по словам ведущих инженеров мира, все проблемы преодолены…
Что же такое термоядерные реакции? Это
слияние лёгких ядер[изотопов водорода: дейтерия, трития, гелия и д.р.] ,
вследствие чего образуется огромное количество энергии в виде тепла, которое
будет сниматься водой. Тепло же можно преобразовать в электрическую энергию.
Существует
несколько типов термоядерных реакций:
D + T → 4He + n + 17,6 МэВ
D + 3He → 4He + p + 18,3 МэВ
3He + 3He → 4He + 2p +
12,85 МэВ
Существуют и
другие типы, но данные реакции наиболее перспективны, а точнее последние две. И вот почему.
Наиболее легко осуществимая термоядерную реакцию D + T → 4He +
n + 17,6 МэВ (но она требует использования почти не существующего
в Природе и к тому же радиоактивного трития и 80% всей
выделяющейся в ней энергии приходится на
нейтронное излучение).
При термоядерная реакция на дейтерии и
гелии-3: D + 3He → 4He + p + 18,3 МэВ выделяется
наибольшее количество энергии, но необходим гелий-3, ближайшие запасы которого
находятся на Луне. Из всех атомов гелия, которые существуют на Земле, 99,999862%
атомов имеют массу, в 4 раза превышающую массу атома водорода. Это
"гелий-4". Его атомные ядра – это альфа-частицы, которые образуются
при радиоактивном распаде. А остальные 0,000138% атомов гелия тяжелее атома
водорода лишь в 3 раза. Это и есть гелий-3.<O:P</O:P
Соотношение гелия-3 и гелия-4 в
масштабах Вселенной существенно иное - там количество этих изотопов различается
примерно на один порядок. В метеоритном веществе и в лунных породах содержание
гелия-3 колеблется от 17 до 32% от всего количества гелия. Миллиарды лет назад
на Земле соотношение гелия-4 и гелия-3 было такое же, как и во всей Вселенной.
Однако за прошедшее в тех пор время гелий, образовавшийся при первичном
нуклеосинтезе, полностью улетучился из земной атмосферы. И весь гелий, который
сегодня есть на Земле, образовался в результате радиоактивного распада.
Самой же чистой является реакция 3He + 3He → 4He
+ 2p + 12,85 МэВ. Она абсолютно безнейтронная : даже побочные термоядерные
реакции не дают нейтронного излучения и не сопровождается гамма-излучением, то
есть абсолютно экологически чистая. И, несмотря на то, что
в результате этой реакции выделяется наименьшее количество энергии, при наличии
3He,
думаю, человечество предпочтет именно её.
Общее
количество гелия-3, например в атмосфере Урана, составиляет ~ 5 · 1014
тонн и в атмосфере Юпитера ─ ~ 1,2 · 1017 тонн,
что больше общих запасов гелия-3 на Луне (по максимальной оценке, равной ~ 5 ·
106 тонн) в ≈ 108 и в ≈ 2,5
· 1010 раз. Из всех планет-гигантов наиболее целесообразно
(удобно) добывать гелий-3 на Уране.
Наконец,
очень вероятно, что действительное количество гелия-3 в атмосферах
планет-гигантов значительно больше, чем по вышеотмеченной оценке, так как, в
отличие от гелия земной атмосферы, их атмосферы содержат первичный
гелий.
Теперь стоит рассмотреть
сам термоядерный реактор (на примере ТОКАМАКА).
Так выглядит в разрезе
термоядерный реактор ИТЭР. Его вакуумная
камера 1 снабжена дивертором 2 — устройством, искажающим магнитное
поле так, что оно превращается в ловушку для „отходов производства“, которые
непрерывно откачиваются в процессе работы. Роль первичной обмотки играет
центральный соленоид 3, катушки
тороидального поля 4 охватывают
камеру, а полоидального 5 — окружают
её. Камера со всех сторон покрыта бланкетом 6, играющим роль поглотителя нейтронов и теплоизолятора. Весь
реактор помещён в кожух-криостат 7;
сверхпроводящая магнитная система охлаждается жидким гелием до температуры 4,5
K и окружена слоем жидкого азота с температурой около 70K.
Принципиальная
схема Токамак а.
Вакуумная камера в форме тора заполнена смесью
изотопов водорода и свободных электронов. Она охватывает стальной сердечник,
играя роль вторичной обмотки трансформатора. На первичную обмотку подаётся
переменное напряжение, индуцирующее в камере электрический ток — движение
электронов. Сталкиваясь с атомами, электроны высокой энергии ионизуют их — сила
тока возрастает. В камере возникает плазма. На камеру надеты обмотки
тороидального поля, которое сжимает плазму в шнур. Поле полоидальных катушек удерживает
плазменный шнур в центре камеры, не давая ему коснуться стенок.
Секция вакуумной камеры в цехе завода-изготовителя. Размеры
этой гигантской детали должны быть выдержаны с точностью до пяти миллиметров.
В упрощённом виде сама камера для
термоядерного синтеза в ТОКАМАКа — тороидальная, то есть по форме напоминает
бублик. Из камеры откачивают воздух, чтобы посторонние атомы не вмешивались в
процесс, а затем в неё вводят дейтерий-тритиевую смесь. Снаружи расположены
катушки, подключенные к переменному электрическому напряжению.
Подобно первичной обмотке
трансформатора, они создают кольцевой ток в водородной плазме. В газе всегда
есть свободные ионы и электроны, которые начинают двигаться в камере по кругу,
как в короткозамкнутой вторичной трансформаторной обмотке. Этот ток нагревает
газ, количество ионизированных атомов растёт, одновременно увеличивается сила
тока и повышается температура плазмы. А значит, количество водородных ядер,
слившихся в ядро гелия и выделивших энергию, становится всё больше.
Это про реактор, реакции…. Но давайте подумаем: каждый день человечество
сжигает тысячи тонн угля, газа. Мы постоянно ‘выкачиваем’ из природы ее
ресурсы, используем, а затем выбрасываем отходы. У меня появилась мысль: что,
если человечество истратит большую часть ресурсов, не успеет выйти в космос,
чтобы развить их добычу там? Тогда время фактически пойдет вспять – все
наработки, планы, всё нажитое начнет уничтожаться, погибать. Нет ресурсов – нет
электричесва. ВСЁ ОСТАНОВИТСЯ. Можно сказать, что успеем, всё
впереди! А можно заранее подготовиться, чтобы потом кто- то в пятом поколении
непогибал.
Что же делать? Я придумал космический
корабль с термоядерным реактором. Верится с трудом? В 17 веке и в электричество
не верили, а в начале 20 в – в ядерный реактор. Как же описать этот корабль
самыми простыми словами? Он состоит из ТЯРД (термоядерный двигатель), который
может выробатывать тераватты электроэнергии. Зачем так много? Столько
необходимо для ‘’полевого’’ двигателя. Мы знаем, что проводник может
взаимодействовать с полем, впрочем, как и поле с проводником. Значит, и поля
могут взаимодействовать друг с другом. Полевой двигатель – 2 сверхпроводника,
на которые поочередно (с интервалом в наносекунды) подаётся электрический
импульс (сила тока достигает миллионов ампер
A=106 и больше
). Поля взаимодействуют друг с другом,
толкая корабль. Можно использовать и ионный, какие используются на
спутниках, но всё же полевой много мощнее.
Принцип работы
нового двигателя достаточно прост. Попробуем логически развить идею
механического отталкивания от опорного тела. Прыгая, допустим, с борта лодки в
воду, мы одновременно заставляем ее двигаться в противоположном направлении.
Усложним опыт. Поднесем к магниту другой магнит. Первый оттолкнется, или
притянется - в зависимости от положения полюсов. Причем взаимодействие
осуществляется, так сказать, бесконтактно, одними полями. Ну а если бы вместо
второго магнита у нас было бы только его поле, состоялся ли бы толчок?
Наверняка. Поскольку же подобная ситуация сама по себе маловероятна, то
воспримем из нее только идею и подумаем об электромагнетизме - здесь-то мы
можем оперировать с силовыми полыми довольно широко. Представим два
параллельных проводника А и Б, расстояние между ними равно R. Они обесточены, и сила их
электродинамического взаимодействия равна нулю. Теперь пропустим через
проводник А импульс тока I определенной длительности
Возникнет
электромагнитное поле с магнитной индукцией В2, которое "подойдет" к Б через время 0,5τ. Теперь, в этот момент, пропустим через Б ток той же длительности.
Взаимодействуя с полем В2,
он вызовет появление силы Ампера FA,
приложенной к проводнику Б, который
получит импульс силы, толчок вперед. Первый же проводник останется в покое:
ведь к моменту прихода поля проводника Б
в область проводника А последний
будет уже обесточен. Впрочем для повышения КПД процесса можно на этой стадии
пропустить импульс и через А, но уже
противоположного направления. Тогда сила удвоится. Так вот, почему бы нам не
разместить подобные проводники звездолёте? Сложное математическое исследование
энергии и массы его полей показало, что в результате их наложения во времени и
пространстве энергия и масса суммарного поля фокусируется в направлении,
противоположном силе тяги.
Итак, это
двигатель, который реально может существовать. Как же собирать этот корабль.
Строительство, несомненно, должно происходить в космосе, так как корабль такого
масштаба подняться с земли не сможет. Это почти тоже самое, что сборка
космической станции, только в размерах отличие.
Да и собрать
термоядерный двигатель в космосе легче, в некотором отношении. В тороидальной камере должен быть вакуум
высокой степени, прежде, чем наполнять её топливом (чтобы топливо было без
примесей и в плазме не было побочных реакций). А раз в космосе почти что
вакуум, почему бы не воспользоваться этим? Думаю, что корабль должен быть
огромный: километра 3 длиной. Иначе и быть не может, ведь на него необходимо
поместить множество оборудования, большой экипаж, термоядерную установку.
Стартовая площадка возле земли быть не может, так как при работе двигателя
происходят мощные электромагнитные импульсы, способные нанести ущерб всему, что
работает на электричестве и незащищено. Идеальная точка запуска двигателей –
Луна…
Такой корабль
способен совершать полёты на все планеты Солнечной системы и даже дальше. Как я
писал в начале на Юпитере и Уране одна из самых богатых первичным гелием 3He атмосфера. Возможно это будущая сырьевая база землян, но пока
базой, думаю, будет Луна. Да и сколько гелия-3 необходимо человечеству в год-
немного. Зато такое огромное количество 3He обеспечит людей энергией на миллионы лет(если не изобретут
что-либо, ещё более мощное, чем термоядерный реактор ) Корабля нет – полётов
нет. И начнутся они тогда, когда нас не станет…
3.Заключение.
Наряду с атомной энергетикой сложилась и
развивается область неэнергетического использования атомной энергии –
радиационная техника.
Её основные направления:
-
радионуклидная энергетика;
-
радиационное аппаратостроение;
-
ядерное приборостроение;
Каждому необходимо осознать свою
востребованность на рынке, конкурентность своей продукции, определить свой
возможный вклад в развитие атомной отрасли страны.
Рассмотрев маленькую точку информации
по термоядерным реакторам, я беру на себя смелость и заявляю ответственно, что
за моей мечтой – космическое приборостроение и полёты в другие Галактики. Я
оптимист по натуре, поэтому считаю, что человечество полетит на кораблях с
термоядерными реакторами в 2025 году.
Литература:
1. ‘Техника молодёжи’ за 1982г
2. Статьи из интернета
(а также мнения с форумов)