• РЕГИСТРАЦИЯ

Гелий 3 - мифическое топливо будущего

12 7729

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

    Nur zum Geld. Немецкое (и не только) золото в США и киллеры-стахановцы

    Гудзонский вариант Сайт «Политико» пишет, что Германия хранит около 117 миллиардов евро золотых резервов в Федеральной резервной системе в Нью-Йорке, и некоторые немецкие ...

    Россия атаковала НАТО там, где не ждали

    В то время как наши штурмовики освобождали Гоголевку, а наши десантники водружали русский флаг на погранпереходе в Судже, в Брюсселе с недоумением смотрели на обломки НАТО — как же так ...

    Ваш комментарий сохранен и будет опубликован сразу после вашей авторизации.

    0 новых комментариев

      alexman Вчера 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, ...
      250
      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...
      303
      alexman 29 марта 13:59

      Нерезиденты остались без валюты: ЦБ продолжает играть в «запреты»

      Кажется, в мире финансов всегда есть место для забавных поворотов судьбы. Банк России вновь порадовал нас (хотя, может, и не совсем) новыми ограничениями для нерезидентов из недружественных стран – никаких выводов денег. Давайте разберемся, что же это значит и каких «финансовых шедевров» нам ждать в будущем. Запрет на вывод С 1 апреля 2022 ...
      509
      alexman 28 марта 11:02

      Китай удивлен действиями Набиуллиной — вскрылась странность с золотым запасом РФ

      Золотой запас России оказался в центре внимания на фоне ее противостояния со странами Запада. Такими данными поделились китайские журналисты. Последние несколько лет Россия живет под сильным внешним давлением, против нее вводятся экономические санкции, а также ведется большая информационная кампания по ее дискредитации. По словам китайских журналистов, в такой ситу...
      17261
      alexman 25 марта 14:01

      Экономисты спрогнозировали средний размер заработной платы в 2025–2030 годах

      Средняя заработная плата россиян к 2030 году может достичь отметки в 151 тысячу рублей. Об этом заявил кандидат экономических наук и доцент Финансового университета при правительстве Российской Федерации Игорь Балынин в интервью для издания «Газета.Ru». По предварительным данным, в прошлом году средняя зарплата в России составила 87,9 тыся...
      336
      alexman 24 марта 21:00

      Reuters узнал, что ЦБ предупредил об обрушении цен на нефть, как в 1980-е

      В 1980-е нефтяные цены рухнули и продержались на этом уровне почти 20 лет, этот «исторический прецедент» может повториться — как утверждает Reuters, об этом предупредил ЦБ в закрытом докладе Центробанк предупредил, что продолжительный обвал нефтяных цен 1980-х годов может повториться из-за действий США и ОПЕК, сообщает Reuters. Аген...
      815
      alexman 16 марта 10:51

      В Госдуме предложили заметно увеличить налог для сверхбогатых россиян

      Ставку налога для физических лиц для россиян, доход которых выше 500 миллионов рублей в год, надо повышать до 35%, заявил лидер партии «Справедливая Россия — За правду», депутат Госдумы Сергей Миронов.   «Нужно донастраивать шкалу НДФЛ и повышать ставки для сверхбогатого меньшинства. При этом для граждан с доходами ниже прожиточн...
      291
      alexman 12 марта 16:38

      Из чего складывается бюджет Дубая?

      Откуда в Дубае деньги? Ведь сверкающие города не появляются посреди пустыни сами собой. Часто можно услышать, что деньги – нефтяные. Это правда, но не вся. Дубай, как и другие эмираты, действительно сделала богатым нефть. Но в случае Дубая преимущество состояло в том, что нефти там оказалось слишком мало. До нефти Еще в XIX веке Дубай зарабатывал на...
      1172
      alexman 10 марта 17:05

      В России повысят социальные пенсии с 1 апреля

      С 1 апреля социальные пенсии проиндексируют на 14,75 процента, сообщил глава правительства Михаил Мишустин на совещании с вице-премьерами. «Подготовлено постановление, согласно которому с 1 апреля на более чем 14,5 процента увеличатся социальные пенсии в соответствии с темпами роста величины прожиточного минимума», — сказал премьер-министр. ...
      3846
      alexman 9 марта 10:39

      Стоимость российских золотых резервов побила рекорд

      Стоимость золотых резервов России по итогам февраля достигла рекордных 217,4 миллиарда долларов, а его доля в резервах превысила треть впервые в этом веке, следует из данных ЦБ.   Ранее в пятницу регулятор сообщил, что международные резервы России на утро 1 марта выросли до 632,4 миллиарда долларов с 620,8 миллиарда на 1 февраля. Вложения России в зо...
      414
      alexman 7 марта 19:39

      После угроз Трампа ввести масштабные санкции против РФ начал падать российский рынок акций

      Президент США Дональд Трамп пригрозил введением масштабных санкций против РФ, потому что она «разносит» Украину на фронте. «Учитывая тот факт, что Россия сейчас абсолютно «разносит» Украину на поле боя, я всерьёз рассматриваю возможность введения масштабных банковских санкций, санкций и тарифов против России до тех пор, пока не буд...
      669
      alexman 5 марта 17:58

      Украина является активом Blackrock и JP Morgan

      Лидеры ЕС, Великобритании, Франции, Германии и других стран являются лишь сотрудниками транснациональные корпораций. Многие из них давно продались Blackrock, JP Morgan, консалтинговой компании McKinsey & Company, а также другим и/или были выбраны и привлечены этими фирмами. Хорошо известно, что француз Макрон работает на Rothschild & Cie Banque, а не...
      794
      alexman 5 марта 13:04

      Цены на какао-бобы за день упали на тысячу долларов за тонну

      Биржевые цены на какао-бобы в понедельник сократились примерно на 11%, или на одну тысячу долларов, до 8,1 тысячи долларов за тонну, следует из данных ICE Futures.   По итогам торгов понедельника стоимость майского (ближайшего) фьючерса на какао-бобы упала на 10,97%, до 8123 долларов за тонну. Расчетная цена пятницы составляет 9124 доллара, таким образо...
      727
      alexman 4 марта 17:09

      Банки начали снижать ставки по ипотеке. Много ли это значит для заемщиков

      Крупнейшие игроки — «Сбер» и ВТБ — пересмотрели условия по некоторым кредитам на жилье. Снижение ставок по ипотеке — пока не тенденция, но уже сигнал для рынка и заемщиков, считают эксперты Сбербанк и ВТБ с разницей в несколько часов объявили о снижении ставок по разным программам ипотеки с 4 марта. Крупнейшие игроки...
      498
      alexman 28 февраля 21:01

      Охота на российские акции: переговоры США и РФ задали тренд в инвестициях

      На Западе резко начали скупать российские акции. Инвесторы готовятся к отмене санкций и потеплению политики между США и РФ.  Международные инвесторы открыли охоту на акции, связанные с Россией. Об ажиотаже среди зарубежных вкладчиков написали в Bloomberg. В материале указали, что пользователи инвестиционных платформ ищут пути обхода санкций. На выбор ...
      438
      alexman 27 февраля 17:40

      ФАС оштрафовала Альфа-банк, Газпромбанк, ВТБ и Т-банк более чем на 2 млн рублей

      ФАС оштрафовала Альфа-банк, Газпромбанк, ВТБ и Т-банк за распространение ненадлежащей рекламы, сообщила пресс-служба антимонопольного ведомства. Об этом «Русской Весне» рассказали в пресс-службе депутата Государственной Думы РФ Антона Немкина. «Организации размещали ее в телеэфире, на рекламных конструкция...
      579
      alexman 26 февраля 10:47

      Украина согласовала сделку с США по природным ресурсам

      Украина согласовала сделку с США по природным ресурсам, сообщает Financial Times. Владимир Зеленский поедет в Белый дом в ближайшие недели для подписания соглашения с президентом США Дональдом Трампом.   Киев надеется, что соглашение о совместной разработке ресурсов улучшит отношения с администрацией Трампа. США отказались от требований на 500 млр...
      718
      alexman 23 февраля 13:52

      Фондовый рынок США потерял почти 1 трлн долларов за день

      21 февраля рынок акций США закрылся падением. Торги завершились на фоне отрицательной динамики промышленности, технологий, потребительских услуг и других секторов экономики. Фондовые индексы демонстрировали снижение из-за негативных корпоративных данных. На момент прекращения операций на Нью-Йоркской фондовой бирже Dow Jones снизился на 1,69%, став месячным мин...
      740
      alexman 23 февраля 10:41

      Великобритания объявит о введении новых санкций против России 24 февраля

      Глава МИД королевства Дэвид Лэмми отметил, что это будет самый большой пакет санкций с начала конфликта на Украине   Великобритания планирует ввести новые санкции в отношении России 24 февраля. Об этом заявил министр иностранных дел Дэвид Лэмми, чьи слова приводит британский телеканал ITV. Глава Форин оффиса анонсировал введение "самого б...
      465
      alexman 19 февраля 19:57

      Российские «золотые визы» для инвесторов: фокус не удался

      Когда речь заходит о привлечении иностранных инвесторов, можно вспомнить, что ранее Россия придумала собственную программу «золотых виз». Оказалось, что этого оказалось мало, чтобы не отставать от Кипра и других стран с подобными программами. По последним данным Минэкономразвития РФ, после старта программы в январе 2023 года в экономику стран...
      471
      Служба поддержи

      Яндекс.Метрика