• РЕГИСТРАЦИЯ

Гелий 3 - мифическое топливо будущего

12 7750

Наверное мало чего в области термоядерной энергетики окружено мифами, как Гелий 3. В 80х-90х он был активно популяризирован, как топливо, которое решит все проблемы управляемого термоядерного синтеза, а так же как один из поводов выбраться с Земли (т.к. на земле его буквально считанные сотни килограмм, а на луне миллиард тонн) и заняться, наконец, освоением солнечной системы. Все это базируется на очень странных представлениях о возможностях, проблемах и потребностях несуществующей сегодня термоядерной энергетики, о чем мы и поговорим.

Машина для добычи гелия3 на луне уже готова, дело за малым - найти ему применение.

Когда говорят про гелий3, то имеют в виду реакции термоядерного слияния He3 + D -> He4 + H или He3 + He3 -> 2He4 + 2H. По сравнению с классической D + T -> He4 +n в продуктах реакции нет нейтронов, а значит нет активации сверхэнергичными нейтронами конструкции термоядерного реактора. Кроме того, проблемой считается тот факт, что нейтроны из “классики” уносят из плазмы 80% энергии, поэтому баланс самонагрева наступает при бОльшей температуре. Еще одним записываемым гелиевому варианту преимуществом является то, что электроэнергию можно снимать прямо с заряженных частиц реакции, а не нагревом нейтронами воды - как в старых угольных электростациях.

Так вот, все это - неправда, точнее очень маленькая часть правды.


Начнем с того, что при одинаковой плотности плазмы и оптимальной температуре реакция He3 + D даст в 40 раз меньше энерговыделение на кубометр рабочей плазмы. При этом температура, нужная для хотя бы 40 кратного разрыва будет в 10 раз выше - 100 кЭв (или один миллиард градусов) против 10 для D +T. Сама по себе, такая температура вполне достижима (рекорд токамаков на сегодня - 50 кЭв, всего в два раза хуже), но что бы завязать энергобаланс (скорость остывания VS скорость нагрева в т.ч. самонагрева) нам нужно поднять в 50 раз энерговыделение с кубометра He3 +D реакции, что можно сделать только подняв плотность в те же в 50 раз. В сочетании с выросшей в 10 раз температурой это дает увеличение давления плазмы в 500 раз - с 3-5 атм до 1500-2500 атм, и такое же увеличение противодавления, что бы эту плазму удержать.

Зато картинки вдохновляющие.
Помните, я писал, что магниты тороидального поля ИТЭР, которые создают противодавление плазме - абсолютно рекордные изделия, единственные по параметрам в мире? Так вот, поклонники He3 предлагают сделать магниты в 500 раз мощнее.

Ок, забудем про сложности, может преимущества этой реакции их окупают?

Разные термоядерные реакции, которые применимы для УТС. He3 + D дает слегка больше энергии, чем D + T, но на преодалевание кулоновского отталкивания тратится очень много энергии (заряд 3 а не 2), поэтому реакция идет медленно.

Начнем с нейтронов. Нейтроны в промышленном реакторе будут представлять собой серьезную проблему, повреждать материалы корпуса, греть все элементы обращенные к плазме настолько, что их придется охлаждать приличным расходом воды. А главное - активация материалов нейтронами приведут к тому, что и через 10 лет после остановки термоядерного реактора у нем будет тысячи тонн радиоактивных конструкций, которые невозможно разбирать руками, и которые будут вылеживаться уже в хранилище сотни и тысячи лет. Избавление от нейтронов очевидно бы облегчило задачу создания термоядерной электростанции.

Одна маленькая проблемка - нейтроны от He3 + D реакции будут. Они будут рождаться в ходе паразитной реакции D + D ->T + n, а получившийся тритий тут же будет сгорать и давать еще один нейтрон. С учетом того, что дотянуться до зажигания гелия3 крайне непросто, при минимальных параметрах конфаймента (конфаймент - фактически теплоизоляция плазмы магнитным полем), при которых он будет гореть, в виде нейтронов будет выделятся 2-3% энергии термоядерной реакции. Да, это в 25-40 раз меньше, чем в случае D + T, но это в ваттах, а в штуках нейтронов разница составит всего 4 раза, они просто гораздо менее энергичные, чем от D + T. Радиоактивных изотопов в стенах реактора в итоге будет где-то в 10 раз меньше, но сути это не меняет - ядерный объект, с дорогой, сложной и контролируемой атомнадзором эксплуатацией.

Скорости ТЯ реакций в зависимости от температуры. В максимуме, при 1 миллиарде градусов, D + He3 обгоняет паразитную D +D всего в 3,6 раза, отсюда нейтроны. 

Доля энергии, уносимая нейтронами. Если добавить побольше He3 в реактор, то можно снизить ее до 1%, но это еще ужесточит условия зажигания.

Ок, ну а как насчет прямого преобразования энергии заряженных частиц в электричество? Опыты показывают, что поток ионов с энергией 100 кЭв можно преобразовать в электричество с 80% кпд. У нас же тут нет нейтронов…. ну в смысле они не уносят всю энергию, которую мы можем получить только в виде тепла - давайте избавимся от паровых турбин и поставим ионные коллекторы?

Да, технологии прямого преобразования энергии плазмы в электроэнергию есть, они активно исследовались в 60х-70х, и показали кпд в районе 50-60% (не 80, надо заметить). Однако эта идея слабо применима как в D +T реакторах, так и в He3 +D. Почему это так, помогает понять вот эта картинка.

На ней показаны потери тепла плазмой по разным каналам. Сравните D+T и D + He3. Transport - это то, что можно использовать для прямого преобразования энергии плазмы в электроэнергию. Если в D + T варианте у нас все забирают мерзкие нейтроны, то в случае He3 + D все забирает электромагнитное излучение плазмы, в основном синхротронное и рентгеновское тормозное (на картинке Bremsstrahlung). Ситуация практически симметричная, все равно надо отводить тепло от стенок и все равно прямым преобразованием мы не может вытащить больше 10-15% энергии термоядерного горения, а остальное - по старинке, через паросиловую машину.

Иллюстрация в исследовании по прямому преобразованию энергии плазмы на крупнейшей открытой ловушке Gamma-10 в японии. 
Кроме теоретических ограничений есть и инженерные - в мире (в т.ч. в СССР) были потрачены гигантские усилия на создание установок прямого преобразования энергии плазмы в электричество для обычных электростанций, что позволяло поднять кпд с 35% до 55%. В основном на базе МГД-генераторов. 30 лет работы больших коллективов закончились пшиком - ресурс установки составлял сотни часов, когда энергетикам нужны тысячи и десятки тысяч. Гигантское количество ресурсов, потраченное на эту технологию привело, в частности, к тому, что наша страна отстала в производстве энергетических газовых турбин и установок парогазотурбинного цикла (которые дают ровно такое же повышение кпд - с 35 до 55%!).


Кстати, мощные сверхпроводящие магниты нужны и для МГД-генераторов. Здесь показаны СП магниты для 30 мегаваттного МГД-генератора. 

Но вернемся к He3. Резюме этого разрекламированного изотопа такое - если бы параметры плотности и температуры плазмы нам бы давались бесплатно, то He3 обещал бы некоторые преимущества при некоторых недостатка по сравнению с D + T. Примерно как дизель и бензиновый двигатель. Однако, по моим статьям вы можете видеть, НАСКОЛЬКО не бесплатно даются эти самые параметры плотности и температуры. Никакие гипотетические плюсы He3 не окупают даже близко необходимости в 500 раз поднимать давление плазмы. И, думается, гипотетические магнитные ловушки, которые нам обещают (но пока не сделали) на смену “изжившим” себя токамакам этой ситуации не поменяют.

aftershock

Экономика, обзоры, только достоверная инфаf

    Поддержите Конт – сохраните и развивайте вашу платформу!
    • КОНТ
    • 28 января 16:59
    • Промо

    Друзья, мы знаем, что Конт стал важной частью вашего дня. Наша платформа уже давно объединяет огромную аудиторию людей, которые ценят живое общение, интересные материалы и увлекательные дискуссии. Вы ...

    Мыс Доброй Надежды — место, где встречаются океаны

    Мыс Доброй Надежды — это совсем не то место, которое любят показывать на глянцевых фотографиях туристические путеводители. Захватывающие панорамные виды побережья, никогда не утихающий о...

    Ваш комментарий сохранен и будет опубликован сразу после вашей авторизации.

    0 новых комментариев

      alexman Вчера 10:54

      Доходы от продажи российской нефти и газа продолжают устанавливать антирекорды

      Глобальный энергетический рынок переживает не самые лучшие дни. Это касается также изолированного санкциями нефтегазового сектора России. Как подсчитал Reuters, доходы Москвы от продажи нефти и газа в апреле сократятся на 22% по сравнению с прошлым годом на фоне снижения цен на сырье и укрепления национальной валюты. По оценкам агентства, опубликованным в четве...
      312
      alexman 22 апреля 20:53

      Жесткая политика ЦБ РФ заставила металлургов бороться за клиентов

      В последние годы российская экономика сталкивается с рядом вызовов, одним из которых стало ужесточение денежно-кредитных условий. Этот фактор влиял на доступность банковского кредитования, что, в свою очередь, способствовало возникновению новых методов финансирования для потребителей металлопродукции. Как показал отчет ПАО «Магнитогорский металлург...
      463
      alexman 22 апреля 18:38

      Цены на электронику в России обрушились на 20% на фоне укрепления рубля

      В России смартфоны, ноутбуки и другие гаджеты подешевели на 10–20%. Об этом пишут «Известия» со ссылкой на источники, близкие к ретейлерам.   Собеседники издания особо выделяют падение цен на ноутбуки: в марте и начале апреля по сравнению с январем–февралем цены на лэптопы снизились на 20%. Эксперты подчеркнули, что цена на га...
      487
      alexman 21 апреля 17:32

      На руку рублю: почему доллар резко подешевел на фоне разногласий Трампа и ФРС США

      На торгах в понедельник, 21 апреля, курс доллара впервые за два года опускался ниже 79 рублей. Эксперты связывают это с резким ослаблением американской валюты на международном рынке. По словам аналитиков, инвесторы продолжают негативно реагировать на развязанную Дональдом Трампом глобальную торговую войну и на его выпады в адрес Федеральной резервной системы. Ранее пр...
      439
      alexman 18 апреля 13:48

      Чехия приготовила удар по всей российской нефти

      Чехия сегодня празднует полный отказ от российской нефти. Она была одной из трех европейских стран, которые сохранили возможность покупать российскую нефть благодаря наличию советского нефтепровода «Дружба». Как Польша помогла Чехии решиться на такой невыгодный шаг и как этот, казалось бы, небольшой шаг может привести к более масштабным последствиям дл...
      763
      alexman 15 апреля 20:56

      Царев спрогнозировал перспективы и последствия тарифной войны Трампа

      Почти две недели назад президент США Дональд Трап начал первую мировую тарифную войну, назвав это «Днем освобождения Америки». Полные последствия его действий для всего человечества просто невозможно оценить немедленно, хотя ралли на торговых площадках уже говорят о многом. Впрочем, сам обитатель Белого дома регулярно меняет правила, но что-то все-т...
      432
      alexman 15 апреля 19:28

      Потери американского бизнеса из-за ухода из РФ оцениваются в $100 млрд

      Американские компании, входившие в AmCham, потеряли в результате ухода из России около 100 млрд долларов, об этом заявил президент Американской торговой палаты в России (AmCham) Роберт Эйджи.  «В районе $100 млрд. Но, повторюсь, в этой цифре не все возможные потери, в основном это вынужденные дисконты. Надо отметить, что мы оценивали потери компаний,...
      300
      alexman 15 апреля 17:33

      "Нас ждут тяжелые времена". Цены на нефть упадут до $40. Бензин в РФ резко подорожает

      Россияне пока не особо задумываются, что значат все эти нововведения Трампа касательно новых тарифов. На первых взгляд - действительно, поскольку товарооборот между нашими странами с начала СВО упал до минимума, а мы в тарифной войне не значимся, то это по идее нас пока не касается. Но не всё так просто. То, что кажется трамповым самодурством, на самом деле явл...
      969
      alexman 14 апреля 11:00

      FT: тарифная война усиливает давление на российскую экономику

      Недавнее значительное падение цен на нефть, вызванное торговой войной Дональда Трампа, начало истощать бюджет России. Об этом сообщает деловая газета Financial Times. Бюджет РФ, около трети которого поступает от отрасли нефтегаза, может оказаться на 2,5% ниже ожидаемого в 2025 году уровня, если цены на сырую нефть останутся на текущем уровне. По мнению западных ан...
      252
      alexman 12 апреля 10:49

      Эксперт: низкие цены на нефть – плохая новость в 2025 году

      Еще не так давно падение цен на нефть широко праздновалось в отрасли по всему миру и приветствовалось, как стимул. Более дешевый бензин означал больше располагаемого дохода для потребителей, более низкие транспортные расходы для предприятий и выгода для секторов, которые зависят от нефти как от сырья. Но в 2025 году этот упрощенный взгляд больше не работает. ...
      269
      alexman 11 апреля 10:59

      Кто больше всех пострадает при крушении экономического мирового порядка

      Эскалация таможенных пошлин между США и КНР уже разрушила торговое партнерство и навредило отношениям между двумя большими государствами, которые развивались в течение многих десятилетий. Это ставит под угрозу не только судьбу двух сверхдержав с крупнейшими экономиками на планете, но также грозит крушением всего сложившегося экономического мирового поряд...
      6007
      alexman 9 апреля 19:52

      ЦБ бьёт тревогу: как аукнется Москве мировая торговая война

      Раскачивание президентом Соединённых Штатов Дональдом Трампом всемирной финансово-хозяйственной лодки не предвещает ничего хорошего. И Центробанк усматривает прямые риски для отечественной экономики, которые влечёт война тарифов через нефтяные цены. И если регулятор выражает беспокойство – значит, это достаточно серьёзно. Потому что Центробанк, в отличи...
      873
      alexman 8 апреля 13:59

      В ЦБ рассказали о рисках для экономики РФ из-за тарифной политики Трампа и снижения цен на нефть

      Введение торговых пошлин США и последовавшее за ним снижение цен на нефть несет серьезные риски для экономики РФ. Об этом заявила председатель Центробанка России Эльвира Набиуллина. По ее словам, сейчас финансовый регулятор внимательно отслеживает ситуацию. ЦБ aнaлизирует вoзмoжнoе влияние пoвышения пoшлин сo стoрoны США и изменения цен нa нефть нa ...
      459
      alexman 7 апреля 20:59

      Стоимость нефти Urals упала ниже «ценового потолка»: Россия получила доступ к глобальной логистике

      Стоимость нефти российской марки Urals снизилась, пробив ценовой потолок в 60 долларов, определенный ранее странами «Большой семерки». По расчетам британского независимого агентства Argus, теперь баррель Urals стоит порядка 50 долларов. Так, в порту Приморска зафиксирована стоимость 52,76 долларов за бочку. Это фактически означает, что российская ст...
      1350
      alexman 7 апреля 13:55

      Тотальный обвал: европейские биржи останавливают торги после рекордного падения индексов

      Введение Дональдом Трампом запретительных пошлин против всего мира привело к падению бирж и котировок криптовалют. Аналитики предрекают снижение цены биткоина до 65 тыс. долларов. Невиданное ранее падение индексов поразило, в частности, Китай и другие страны Азии. Так, китайский индекс на открытии снизился до 7,1%, что стало худшим показателем с 2008 года. Широ...
      998
      alexman 5 апреля 19:46

      В Эстонии раскрыли, как Орбан может помочь России вернуть €240 млрд активов

      Евросоюзу придется передать России €240 млрд замороженных активов, если премьер-министр Венгрии Виктор Орбан заблокирует продление санкций против Москвы в июне, заявил министр иностранных дел Эстонии Маргус Цахкна газете Rheinische Post в кулуарах встречи министров иностранных дел стран НАТО в Брюсселе.    «Мы заморозили недвижимые актив...
      739
      alexman 5 апреля 13:50

      Эксперт оценила риски глобальной рецессии из-за пошлин США

      Пошлины Соединенных Штатов на импортные товары могут привести к «очень плачевным последствиям» для мира, в том числе и к рецессии, если страны, против которых были введены пошлины, не договорятся об их смягчении, прокомментировала доцент департамента мировой экономики факультета мировой экономики и политики НИУ ВШЭ Ксения Бондаренко. Президент США Д...
      527
      alexman 4 апреля 11:04

      Пошлины Трампа приведут к невероятному взлету Китая

      Дональд Трамп смёл все фигуры с шахматной доски и ударил доской по голове своих уже бывших союзников. Вся международная торговля пошла прахом, все её принципы и устои похоронены одним мастерским ударом. Прощай, ВТО. Разнесены в пух и прах все международные соглашения по торговле. В игре грубая сила и наглость великой державы времён каперства и захватов колоний. ...
      9308
      alexman 2 апреля 16:31

      Американские сенаторы готовят новый пакет антироссийских санкций

      Американские сенаторы готовят новый пакет антироссийских санкций, сообщает Reuters.   25 сенаторов-республиканцев и 25 сенаторов-демократов внесли законопроект о новых санкциях США против России. Пока он ещё не рассматривается официально, но его внесение анонсировал республиканец Линдси Грэм. Проект предполагает введение новых санкций против Москвы, ...
      678
      alexman 1 апреля 17:19

      В мировом рейтинге толстосумов появилось 15 новых миллиардеров из России

      Американский журнал Forbes сообщил, что в ежегодном мировом рейтинге самых богатых людей появилось 15 новых миллиардеров из Российской Федерации. Россия находится на пятом месте по количеству новичков. На первом — США (103 человека), на втором — Германия (37 человек), на третьем — Китай и Гонконг (32), на четвертом — Индия (17 новых миллиард...
      720
      Служба поддержи

      Яндекс.Метрика