Потребность в источниках энергии.
Доступность энергии (или мощности) для работы механизмов стала решающим фактором в повышении уровня жизни человека. В связи с неуклонным ростом численности населения и использованием механических устройств для повышения производительности труда мировые потребности в электроэнергии быстро растут. В прошлом основными источниками энергии были ископаемые виды топлива - уголь, нефть и природный газ - и, в меньшей степени, энергия воды. Растущий спрос на энергию стимулировал поиск видов топлива, особенно нефти, по всему миру, и до сих пор вновь обнаруженные запасы не отставали от
потребления. Хотя ситуация выглядит удовлетворительной, существуют ограничения. Во-первых, должно наступить время, возможно, к концу нынешнего столетия, когда запасы начнут сокращаться и нехватка ископаемого топлива станет реальной перспективой. И, во-вторых, распределение запасов нефти и угля таково, что многие промышленно развитые страны вынуждены импортировать топливо со значительными затратами. Кроме того, сжигание ископаемых видов топлива, особенно угля, вызывает проблемы загрязнения атмосферы в результате образования оксидов серы и азота и мелких частиц золы. Таким образом, новый экологически чистый источник энергии с дешевым, доступным для всех основным видом топлива стал бы великим благом для человечества. Ученые надеются, что ядерный синтез станет таким источником энергии. Чтобы понять этот процесс, необходимо знать кое-что о предыстории ядерной энергетики.
Ядерная энергетика.
Вскоре после того, как в конце 19-го века была открыта радиоактивность. физики начали строить догадки об этой энергии. которую они назвали "атомной энергией", которая, по-видимому, хранится внутри атома. Позже. когда в 1911 году была разработана ядерная теория 01, ученые поняли, что это ядро.
центральная часть атома, которая является источником этой энергии. Следовательно, ее следовало бы называть "ядерной энергией", а не атомной. До 1939 года никто не знал, как эту энергию можно использовать с пользой. В 1905 году в ходе своих исследований по теории относительности, Альберт Эйнштейн показал, что масса и энергия в некотором смысле взаимосвязаны. Следовательно в любом процессе, связанном с чистым уменьшением массы, следует экономить энергию. Рассматривая измерённые массы атомных ядер, стало очевидным, что существует два основных способа получения ядерной энергии с помощью реакций, сопровождающихся уменьшением массы. Один из них заключается в расщеплении самых тяжелых ядер на ядра средней массы. а другой - путем объединения (термоядерного синтеза) некоторых самых легких ядер. На самом деле существует множество других ядерных процессов, которые сопровождаются выделением энергии. Но только при ядерном делении и термоядерном синтезе существует возможность получения большего количества энергии, чем потребляется в ходе реакции. Другими словами только для этих реакций существует 4 перспективы этого процесса. однажды начавшись, он может быть самоподдерживающимся, как огонь.
Открытие ядерного деления в 1939 году открыло новый и высококонцентрированный источник энергии. Примерно 6 лет спустя эта энергия была впервые использована в атомной бомбе, и с тех пор были разработаны ядерные реакторы, в которых энергия деления выделяется в виде тепла и преобразуется в электрическую энергию. Влияние энергии ядерного деления уже ощущается во многих странах. В 1973 году около 1% электроэнергии, потребляемой в Соединенных Штатах, вырабатывалось на электростанциях с ядерными реакторами, и ожидается, что к 1980 году эта доля возрастет до более чем 20%. Но ядерное деление не является полным решением энергетической проблемы. Это правда, что мировые запасы основных материалов, а именно урана и тория, довольно велики. Однако есть много стран, которые они либо не обладают этими полезными ископаемыми, либо не имеют средств для производства из них ядерного топлива. Кроме того, при эксплуатации ядерных электростанций необходимо принимать особые меры предосторожности для предотвращения нежелательного воздействия на окружающую среду.
Энергия ядерного синтеза.
Именно такие соображения делают ядерный синтез исключительно интересным в качестве возможного источника энергии. Топливом является форма (изотоп) водорода. его называют "адским водородом" или дейтерий. который присутствует во всей воде: на каждые 6500 или около того атомов обычного (легкого) водорода в воде приходится один атом дейтерия. Другими словами, примерно в 13 600 кг воды содержится 0,45 кг дейтерия. Но огромные объемы океана и других поверхностных вод на земле содержат более 10^13 тонн дейтерия! Расчеты показывают, что энергия, которая теоретически могла бы быть получена при слиянии ядер дейтерия, присутствующих в галлоне (3,63 кг) воды, равна энергии, получаемой при сгорании 1 364 литров бензина. Большое количество дейтерия содержится в миллионах литрах воды. Таким образом, запасы дейтерия, имеющиеся на земле, представляют собой практически неисчерпаемый потенциальный источник энергии.
Стоимость получения дейтериевого топлива из воды невелика. В настоящее время извлечение количества дейтерия, равного его содержанию в 3 литрах воды, обходится всего в несколько центов. Ожидается, что для первых систем термоядерного синтеза потребуется добавление лития к дейтерию, но литий не является дорогим материалом, и, как будет показано ниже, имеются достаточные запасы лития. На самом деле, ожидается, что затраты на топливо для термоядерной энергетики будут незначительными. Кроме того, ожидается, что аспекты безопасности и охраны окружающей среды, связанные с термоядерной энергетикой, будут приемлемыми. Вот, по-видимому, идеальный источник энергии. К сожалению, это еще не вся история.Во-первых, как и в случае с системой ядерного деления, цена топлива будет составлять лишь небольшую часть стоимости производимой электроэнергии. С другой стороны, существуют сложные проблемы, которые необходимо решить, прежде чем термоядерная энергетика станет реальностью.