Вот это способ добычи электричества

Добыча электроэнергии с помощью «летающих электростанций»

Силы природы намного превосходят те мощности, которыми обладает человечество. Вулканические извержения, сила ветра, тепло солнечного излучения, приливы и отливы, молнии — все эти факторы сосредотачивают в себе колоссальную мощь, разлитую вокруг нас.

В этой же статье мы попытаемся рассказать о нестандартных ветрогенераторах, которые для использования силы ветра — в буквальном смысле парят в воздухе!

Неслучайно, в течение многих веков, человечество использовало силы природы себе во благо, особенно в те периоды, когда оно ещё не обладало мощью механизмов и двигателей.

Особенно это применимо к силе ветра, той невидимый природный мощи, которая окружает всех нас. Сила ветра с давних времен использовалась человечеством как для приготовления пищи (например, для размалывания зерен в муку, мельницами), так и для передвижения, — когда моря бороздили сотнями веков парусные суда.

Несмотря на то, что современное время дает человечеству новые возможности по добыче энергии иными способами, в том числе самыми высокотехнологичными, среди которых можно назвать ядерную энергетику, человечество каждый раз с надеждой посматривает на ту природную мощь, которая до сих пор остается по большей мере незадействованный, — силу ветра.

Именно поэтому предпринимаются все новые и новые попытки по освоению этого неисчерпаемого океана, для чего применяются разнообразные ветрогенераторы.

Компании создают различные технологии и подходы к проектированию генераторов, что позволяет создавать генераторы как быстроходные, так и работающие на малых оборотах, но тем не менее, — обладающие высокой эффективностью. Первый тип генераторов используется в случае, если он планируется к установке в местности, обладающей быстрыми и мощными ветрами; второй тип предназначен для освоения медленных источников энергии, — например, горных полноводных рек.

Возвращаясь к энергии ветра, можно сказать, что основной проблемой данных генераторов является то, что ветер у земной поверхности является весьма нестабильной субстанцией. Он постоянно меняет свою силу и направление. Из-за этого, генераторы, установленные у земной поверхности, не могут достичь стабильной выработки электроэнергии и их мощность постоянно колеблется.

С этим пробуют бороться разнообразными методами, среди которых можно назвать:

• установка генераторов на больших открытых пространствах, например, недалеко от берега, прямо в море;
• подъём генератора на максимально допустимую современными технологиями высоту.

Для этого строят генераторные башни, которые, как правило, устроены по принципу стеблей растений: расширяются к низу и сужаются кверху. Эти конструкции позволяют устанавливать генераторы достаточно высоко над земной поверхностью и являются достаточно прочными, чтобы выдерживать вес, как самого генератора, так и давления ветра. Высота башен современных ветрогенераторных установок может достигать 180 и даже 200 м.

Источник картинки: www.wikipedia.org

Однако несмотря на все ухищрения, всё равно скорость ветра в приземном слое является плавающей величиной, поэтому ученые ищут разнообразные подходы для стабилизации отдачи от существующих генераторов.

Весьма перспективным в этом направлении является добыча энергией ветра с высот более 200 метров. Хотя, как можно видеть на приложенной картинке ниже, исследование белорусских ученых показывает, что на высоте уже в 160 метров происходит удвоение скорости ветра по сравнению с высотой в 10 метров.

Согласно некоторым исследованиям, скорость ветра на высотах 400 — 500 метров достигает 16-17 м/с летом, что соответствует шторму по шкале Бофорта; зимой же, скорость ветра усиливается до 18-19 м/с, что, по той же самой шкале Бофорта, соответствует сильному шторму.

Согласно исследованиям компании KiteGen, Землю окружают две полосы ветрового потока. Один находится в южном полушарии на широте Патагонии, а другой — в северном полушарии над Европой. Высота потока колеблется от 800 до 10 000 метров, а ширина — от 4 000 до 5 000 км. Средняя мощность ветра составляет около 2 кВт на квадратный метр.

Высотный ветер гораздо более сильный и постоянный, чем ветер на уровне земли, который интенсивен в очень немногих местах и ​​на полной скорости всего около 1700 — 1800 часов в год, что ограничивает годовое производство энергии.

Причём, в отличие от приземных ветров, ветра на данной высоте являются достаточно стабильными и дуют постоянно.

Было бы обидно не попытаться использовать такую мощь, находящуюся прямо над нашими головами!

Makani была основана в 2006 году Солом Гриффитом, Доном Монтегю и Корвином Хардхэмом. «Макани» в переводе с гавайского означает «ветер».

В декабре 2016 года Makani впервые эксплуатировала прототип мощностью 600 кВт с размахом крыла 28 метров.

С августа 2018 года Макани эксплуатирует испытательный полигон энергетических воздушных змеев на Большом острове Гавайи.

Для того, чтобы достичь цели получения дешевой возобновляемой энергии, кайт-энергетическая система использует автономные привязные крылья, которые летают по круговой траектории и генерируют электричество с помощью ветровых турбин, установленных на основную часть крыла.

В феврале 2020 года Alphabet закрыла Makani. Компания заявила: «Несмотря на значительный технический прогресс, путь к коммерциализации длиннее и рискованнее, чем предполагалось».

В сентябре 2020 года Makani выпустила Energy Kite Collection — отчет из трех частей и сопровождающую его коллекцию репозиториев с открытым исходным кодом, журналов полетов и технических видео по проекту. Она также выпустила документальный фильм об этом проекте « Власть с неба: история Макани» и взяла на себя обязательство не предъявлять претензии в отношении своего патентного портфеля, что позволяет любому использовать ее патенты, не опасаясь судебных преследований.

Но данная компания не является единственной в попытке покорения «небесных батарей».

Итальянскими исследователями был создан стартап, под названием KiteGen, основатель которого провел большое время в наблюдении за кайтсерферами, и ему пришла в голову мысль, что большая энергия ветра, которую используют серферы, может быть применена в целях генерации электроэнергии.

Результатом его размышлений стала система, которая представляет собой генератор, установленный на земле, а также один или несколько воздушных змеев, подобных тем, на которых катаются кайтсерферы.

Источник картинки: www.kitegen.com

Управление данными воздушными змеями происходит при помощи компьютера.

Вкратце, система представляет собой генератор, установленный на земле, выносную штангу, к которой прикреплён летящий в воздухе воздушный змей, движение которого позволяет вращать штангу и приводить в движение генератор, связанный с ней.

Источник картинки: www.kitegen.com

Источник картинки: www.kitegen.com

По расчетам данной компании, теоретически, система, состоящая из 20 воздушных змеев, управляемых централизованно, с помощью компьютера, могут приводить в движение турбину генератора, со скоростью до 15 оборотов час, диаметром 1600 метров. Данное движение позволяет генерировать порядка 1 гигаватт электроэнергии, что равносильно средней электростанции атомного типа.

Две рассмотренные компании не являются одинокими в своих попытках покорить воздушные просторы в поисках новых источников электроэнергии. Компания Altaeros рассматривает возможность получения электроэнергии с помощью аэростатов трубчатого типа, постоянно находящихся на высотах от 300 метров и выше.

Первый прототип компании, представлял собой надувной аэростат, с укрепленной в центре него крыльчаткой генератора. Данный аэростат должен был лететь на высоте в 2.000 футов (примерно 609 метров).

Источник картинки: www.nsf.gov

Данный прототип заполнялся гелием и был готов к работе, после 1 дня работ по его монтажу на месте. Транспортировка в удалённое место эксплуатации, например, нефтяное месторождение, должно было происходить в упакованном виде.

Система является автономной, для пополнения ее гелием, необходимо лишь спускать ее для регламентных работ, примерно раз в 3-4 месяца.

Как говорит руководство компании, как правило, от 30 до 50% стоимости любого ветрогенератора приходится на расходы, связанные со строительством башни для него.

Данный подход является неэффективным и компания предлагает отказаться от него с помощью использования надувных аэростатов.

Работы компании в данном направлении привели к созданию нового аэростата повышенной мощности, который предназначен для полетов на высоте в 300 метров, и должен вырабатывать до 30 кВт электроэнергии.

Не отстает от них и команда исследователей из Шотландии.
Они также пытаются освоить воздушные просторы с помощью воздушных змеев, которые у кайтсерферов называются «парафойлы». Данного типа воздушные змеи держат свою форму за счёт набегающего потока воздуха, который надувает ячейки, из которых состоит змей.

Система предназначена для генерации электроэнергии следующим образом: на земле находится специально оборудованный грузовик, который несет в своём кузове генератор электроэнергии, к которому прикреплен с помощью троса летящий на высоте в 450 метров воздушный змей.

Змей описывает на этой высоте траекторию в форме восьмерки. Стандартный типовой змей, в рамках данного проекта, имеет ширину порядка 40 метров, что позволяет ему вырабатывать до 3 мегаватт электроэнергии.

Компания планирует коммерциализировать данную технологию к 2023 году.
Но это всё достаточно большие проекты, которые требуют больших материальных затрат и фактически предназначены для обеспечения электроэнергией десятков и сотен домашних хозяйств. А как же обстоят дела с возможностью добывать электроэнергию локально, в небольших количествах, например, туристам в лесу?

Попробуем пофантазировать, как могла бы выглядеть данная система, в рамках попытки создания носимой мощной системы энергообеспечения.

В первую очередь, нам требуется поднять генератор на рабочую высоту. В качестве альтернативного вида конструкции, можно конечно оставить генератор и на земле, — данная конструкция тоже имеет право быть.

Сам воздушный змей должен быть поднят на рабочую высоту, которая находится в интервале от 300 до 600 метров. Очень желательно, чтобы выход воздушного змея на данную рабочую высоту происходил даже из любых осложненных условий, например из густого леса.

Любой, кто запускал в детстве воздушного змея, знает, что для того чтобы вывести его на требуемую высоту, необходимо с ним «досыта набегаться» по полю. В условиях густого леса, данные действия могут быть весьма затруднительны.

Поэтому видится целесообразным, наличие на данном воздушном змее некой системы вертикального взлёта.

В качестве такой системы может быть использован любой высокооборотистый двигатель, очень желательно, — независимый от аккумуляторного питания. В качестве такого двигателя, достаточно мощного и высокооборотистого, можно с лёгкостью использовать двигатель бензинового триммера для стрижки газонов.

Почему не электрический двигатель: так как выведение на рабочую высоту воздушного змея не должно зависеть от наличия нужного заряда в аккумуляторе, который весьма проблематично пополнить в условиях леса, видится целесообразным использование именно бензинового двигателя, в качестве средства выведения на целевую высоту.

Чтобы избежать паразитного закручивание самого змея, в сторону противоположную вращению винта, можно использовать крестообразную форму воздушного змея, которая позволит избежать необходимости устанавливать некие стабилизирующие устройства, вроде винта, вращающегося в другую сторону или второго «хвостового» винта как на вертолётах.

В середине самого воздушного змея можно установить электрогенератор, в качестве доступной версии которого может выступить любое мотор-колесо для электровелосипеда, скутера и другой подобной техники индивидуальной мобильности.

Алгоритм взлета данной системы видится следующим: змей влетает строго вертикально, по мере набора высоты, — имеющиеся на его борту моторизованные катушки-намотчики, связанные с уздечками воздушного змея, начинают плавно натягивать их и устанавливать необходимый угол атаки для змея. Финальная установка угла атаки происходит при выходе на целевую высоту.

Конечно, данная концепция воздушного змея является всего лишь теоретической концепцией, и наверняка, внимательный и вдумчивый читатель найдет множество слабых моментов этой конструкции и предложит что-то своё, более продуманное.

Например, видится целесообразным создание следующей конструкции: когда количество и площадь лопастей ротора генератора является настолько большой, что, по сути, играет роль поверхности воздушного змея. В таком случае, необходимо всего лишь вывести данный ротор на целевую высоту и установить требуемый угол атаки.

Такая небольшая портативная конструкция может быть полезной как для туристов, так и для энергоснабжения оторванных от цивилизации мест проживания людей.

Дополнительным бонусом данной конструкции (летящего на высоте змея – электростанции) является возможность навесить на него телекоммуникационное оборудование и «раздавать» интернет на большие площади.

Аренда ВДС-серверов с быстрыми NVMе-дисками и посуточной оплатой можно у Маклауд.

Источник

Энергетика от мха до плазмы

Мы часто слышим, что за последние годы использование энергии человечеством увеличилось настолько, что ископаемые ресурсы закончатся через пару десятков лет. Но то же самое говорили и в 70-х годах прошлого века. Откуда мы тогда сегодня берем энергию для существования и что нам делать дальше? Для развития технологий необходимо понимать, как эффективно преобразовывать ее в работу, ведь энергия — ресурс даже в астрономических масштабах не бесконечный. Практически вся энергия, которая существует на Земле и которую люди могут извлечь из солнечной системы — энергия Солнца, у которого конечное время жизни, а вся энергия во Вселенной ограничена тем, что дал нам Большой Взрыв. Но что такое энергия?

Никто не может дать четкого определения, так как нет более общего класса понятий, которым мы можем описать энергию. Все, что мы можем — изучать ее свойства и характеристики. Ричард Фейнман в своих знаменитых “лекциях по физике” говорил: ”Важно понимать, что в сегодняшней физике мы не имеем представления об энергии. Мы не можем сказать, что энергия поступает в маленьких сгустках определенного количества”. Мы точно знаем: вся материя в конечном счете является энергией, сумма которой во Вселенной никогда не изменится, поэтому рассуждать мы будем о способах изменения ее формы.

Откуда вообще взялась энергия во Вселенной и что она значит для нас?

История энергии началась в момент Большого Взрыва. Возможно, в один момент появилось два связанных между собой понятия: энергия и пространство-время. Возможно, энергия являлась первопричиной всего в нашем мире, с этим ещё предстоит разобраться, но сейчас уже точно ясно одно: энергия является сутью физической формы материи, всё во Вселенной является сосредоточением той или иной формы энергии. Теория расширения ранней Вселенной намекает нам на то, что изначально все вещество являлось однородной изотропной средой, в процессе расширения которого произошло остывание и “конденсация” всех известных науке элементарных частиц. Появилось 4 фундаментальных взаимодействия: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное.

Через много-много лет после Большого Взрыва, когда люди только начали применять энергию, никто не знал про 4 фундаментальных взаимодействия. Изначально люди грели себя и готовили пищу с помощью химических реакций горения. Так продолжается и по сей день, основным источником энергии для нас сегодня является электричество, вырабатываемое на всевозможных ТЭС(тепловая электростанция) и ТЭЦ(теплоэлектроцентраль).

По сути вся жизнь человека — постоянный поиск энергии. Это может быть громким заявлением, но вы только подумайте: мы ведь кушаем только чтобы получать энергию для функционирования мозга и движения. Жизнь человечества строится на способах добычи энергии. Поэтому энергетика является одним из важнейших аспектов жизни людей и всего во Вселенной.

Почему современная энергетика неэффективна?

Давайте отбросим понятие энергии на второй план и подумаем: какие способы добычи энергии сегодня известны?

Первый и самый популярный способ — что-нибудь сжечь: дерево, нефть, газ. В процессе образуется много лишнего, а все ископаемые ресурсы очень скоро закончатся. Второй — извлечь работу из гравитации: ГЭС, приливные станции, — но проблема тут в размерах и в расположении станций, к тому же не везде есть вода. Еще можно подумать о солнечной энергетике: тут вроде все хорошо, но роль играет расположение и низкая плотность энергетического потока.

Почти вся используемая энергия досталась нам благодаря Солнцу, просто в разных видах. Растения тысячелетиями накапливали энергию солнца, росли и погибали, образовывали нефть, природный газ и уголь. Сама Земля, ее вода и атмосфера существуют из-за Солнца. Необходимо более универсальное решение проблемы эффективности добычи энергии.

Достаточно посмотреть на эту диаграмму, чтобы понять, что человечество не очень то и далеко ушло от своих предков, которые просто жгли древесину, мох и уголь:

Рисунок 1. Изменение глобального потребления энергии по видам источников

Получается, что за 200 лет люди ничего толком не изменили в энергетике, лишь нарастили темпы преобразования и добычи энергии:

Рисунок 2. Потребление энергии по видам ее источников в 2019 году

Мало того, что добыча энергии таким способом не так эффективна по сравнению с энергией, которую мы научились извлекать альтернативными методами, так еще и большой вопрос в том, больше ли пользы мы получаем от такой энергии, чем вреда. Для количественной оценки этого заявления давайте посмотрим на статистику.

Энергия в человеческом эквиваленте

Что вы представляете, когда слышите слова «альтернативная энергетика»? Большинство людей сразу представляют себе солнечные панели и ветряные мельницы, но редко думают о ядерной и термоядерной энергии. Ядерная энергетика получает меньше внимания из-за громких аварий, которые страшны людям скорее не из-за катастрофических последствий, а из-за неправильной трактовки СМИ и всеобщего незнания базовых аспектов этой энергетики. Теоретическое обоснование эффективности добычи энергии таким способом известно уже как минимум полвека.

За 70 лет существования атомной энергетики зафиксировано только 33 серьезных происшествия. Несмотря на это, есть очень много скептически настроенных людей и даже организаций, которые выступают за отмену строительства АЭС. Давайте взглянем на цифры:

Из-за Чернобыльской аварии напрямую погиб 31 человек. Из-за последствий По самой пессимистичной статистике от «European green party» кол-во смертей к 2065 году приблизится к 60 тыс, но ученые склоняются к цифрам намного меньше этой.

WHO считает, что цифра вырастет только до 4 тыс. Это самая серьезная радиационная авария за всю историю энергетики, намного превосходящая по последствиям все остальные.

Авария на Фукусиме, которая является второй по масштабу радиационной аварией в мире, привела к 573 смертям, но эта цифра отличается от количества смертей в Чернобыле тем, что это не последствия радиации, а смерти напрямую не связанные с инцидентом, а связанные, например, со стрессом эвакуации, из-за которого в основном пострадало пожилое население. От радиационного загрязнения по самым пессимистичным подсчетам погибнет до 1000 человек.

Конечно, нельзя делать вывод о серьезности аварии только на основании количества погибших, ведь здесь не учтены экономические последствия и число онкозаболеваний и всевозможных вредных мутаций. Эти заболевания, даже если не приводят к смерти, также являются последствиями ядерных аварий. Сейчас проводится исследований по воздействию малых доз радиации на организм. Если раньше склонялись к безвредности малых доз радиации (типа организм может до определенного уровня облучения самовосстанавливаться без последствий), то сейчас есть больше доказательств «беспорогового» воздействия радиации, т.е. даже самая малая доза наносит вред. Но однозначного ответа здесь пока нет.

А теперь, сравним эти происшествия с авариями на других типах электростанций.

Аварии на ГЭС или на солнечной станции не выбросят в атмосферу гигантское количество радиационных частиц, на избавление от которых уйдет очень много денег и сил, но вспомним наводнение Баньцяо. Крушение дамбы вызвало затопление ближайших поселений, количество смертей от инцидента + от вызванного голода и нищеты составило 80-240 тысяч смертей.

Но даже такие большие цифры меркнут по сравнению со смертями от «ископаемого топлива». Газы, выделяющиеся при его сгорании, попадают в атмосферу и в наши легкие, а это, в свою очередь, вызывает многие распространенные заболевания: рак легких, сердечные заболевания, острая инфекция нижних дыхательных путей, инсульт и подобное.

Рисунок 3. Подсчет количества смертей и парниковых газов в год на каждый тераватт в час выработанной энергии от разных видов энергетики

Так какой же способ самый лучший на сегодняшний день? Судя по графику, атомная энергетика — самый чистый источник энергии. Плюс АЭС построить можно где угодно, даже на подводной лодке, а выделенной энергии топлива из одного реактора хватит, чтобы заменить 3 миллиона солнечных панелей.

Атомная энергетика и ее проблемы

Что это такое? Основа энергетики — распад атомного ядра (в основном тяжелых ядер урана). Все изотопы урана радиоактивные, но чуть-чуть, из-за их огромного периода полураспада: у урана-235 и урана-238 0.7 млрд лет и 4.4 млрд лет соответственно. Почему используют именно уран? Все дело в его уникальной способности делиться при взаимодействии с нейтронами с небольшой кинетической энергии. Такие элементы называют делящимися. К этой группе относятся ядра с нечетным числом нейтронов (присоединяемый нейтрон — чётный): 233U, 235U, 239Pu. Реакция деления ядер экзотермическая. Это значит, что при ее протекании выделяется некоторое количество теплоты. В реакторе эта теплота служит источником энергии для нагрева воды.

Топливо для реактора изготавливается в виде таблеток, высотой и диаметром около сантиметра, из которых в дальнейшем собирают тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ). В одном ТВЭЛе может помещаться несколько сотен топливных таблеток, длина его как правило 3.5-4 метра. Затем их собирают в тепловыделяющие сборки (ТВС). Это основной функциональный элемент АЭС: из них формируется активная зона реактора.

Рисунок 4. Схема и принцип работы реактора на примере реактора на быстрых нейтронах.

В одной ТВС в зависимости от типа реактора (об этом мы поговорим позже) находится от нескольких десятков до нескольких сотен (около 300 для современных реакторов типа ВВЭР) ТВЭЛов, а в активную зону обычно помещается от нескольких сотен до полутора тысяч ТВС. Получается, что весь реактор имеет несколько миллионов таблеток с топливом внутри, и это при том, что один грамм урана содержит в себе столько же энергии, сколько 3-4 тонны угля.

Для работы реактора его необходимо сначала запустить. Этот процесс немного отличается от работы реактора, когда он уже запущен. Изначально, когда ТВЭЛы погружаются в реактор, он подкритичен. Для количественной оценки того, как эффективно делятся ядра в реакторе, придумали понятие коэффициента размножения нейтронов — критичность. Физически это просто отношение количества выделенных нейтронов в момент деления ядер к количеству нейтронов, которые выделились в предыдущий момент распада ядер. Все просто: если коэффициент больше одного – идет цепная ядерная реакция с увеличением мощности реактора (ректор надкритичен), если равен 1 – количество делящихся ядер в каждый момент времени одинаково (реактор критичен), а если меньше 1 – идет уменьшение мощности реактора (реактор подкритичен). Для начала цепной реакции необходима пороговая масса урана, то есть достаточное количество спонтанно делящегося вещества. При выполнении этого условия реактор переходит в надкритическое состояние.

В ТВЭЛах происходит цепная реакция деления топлива. Один из ее видов: уран распадается на осколки деления (уран-235 распадается на барий-139 и криптон-95, например) плюс один или несколько нейтронов (и гамма излучение), которые в дальнейшем сталкиваются с другими атомами урана-235. Изначально уран находится в состоянии с некоторой энергией покоя, и для перехода в возбужденное состояние с последующим радиоактивным распадом требуется дополнительная энергия, с помощью которой возможно преодолеть энергетический барьер и разделиться. В нашем случае этой энергией является нейтрон (тепловой нейтрон), который, сталкиваясь с ядром, передает ему свою кинетическую энергию. Ядро делится и выделяет еще несколько нейтронов (в среднем одно ядро урана-235 при распаде выделяет 2,5 нейтрона, именно это и позволяет происходить лавинообразному увеличению количества делящихся атомов в реакторе), которые сталкиваются с другими ядрами и так далее.

Рисунок 5. Цепное деление ядра

Для протекания реакции из реактора вынимаются регулирующие стержни, которые изготовлены из поглотителя нейтронов. Поглощающие стержни изготовлены из материалов, которые имеют очень большую площадь захвата нейтронов. Это сплав, который способен “захватывать” и поглощать нейтроны на большом расстоянии от атома. Чаще всего изготовлен из бора, так как сплав бора со сталью не взаимодействует с топливом реактора и имеет большую площадь захвата нейтронов.

Рисунок 6. Захват нейтронов ураном. Барн — единица поперечного сечения площади захвата нейтронов атомом. Чем больше площадь захвата нейтронов элементом — тем больше нейтронов он поглощает.

Самое важное в работе АЭС — поддержание скорости цепной реакции. При ее выходе из-под контроля (отключения системы охлаждения, например) может произойти то же самое, что происходит внутри атомной бомбы при взрыве в самом его начале — неконтролируемая цепная реакция. Но волноваться из-за этого не стоит, все реакторы сейчас оборудованы настолько большим количеством защитных механизмов, что катастрофа очень маловероятна.

К сожалению, ядерное топливо — ресурс исчерпаемый, его на Земле намного меньше, чем угля или нефти, а создавать его мы не научились (тяжелые элементы появляются в экстремальных условиях в результате взрывов сверхновых). Да и отходы куда-то девать надо — их сейчас либо обогащают, либо, как маленькие дети прячут игрушки под кровать (закапывают под землю). Еще существуют “быстрые” реакторы (сейчас есть БН-600 и БН-800 в России) и так называемые реакторы-размножители. Они позволяют вовлечь в использование уран 238 и отходы АЭС, использующих уран 235. Таким образом ресурсная база атомной энергетики увеличивается с сотен и тысяч лет, до миллионов лет. С экономикой быстрых реакторов пока есть вопросы, но технически они уже давно реализуемы.

Атомную энергетику стоит рассматривать как временный и довольно неплохой вариант. Есть ли сейчас вариант лучше этого?

Да, оказывается вариант есть, и он намного лучше всего, что человечество научилось делать до этого. Имя ему — ядерный синтез.

Атомная энергетика наоборот

В 50-х годах советские и британские ученые придумали использовать не распад ядер (как на АЭС), а синтез. Распад ядер — тяжелые элементы делятся с выделением энергии, а синтез — легкие элементы “слипаются” с образованием более тяжелых, выделяя энергию.

При слиянии дейтерия (изотоп водорода, отличающийся наличием нейтрона) и трития (тоже изотоп водорода, у которого 2 нейтрона) получается гелий и нейтрон. Такая реакция даёт значительный выход энергии(17.6 МэВ). Для сравнения, если взять смесь дейтерия-трития и урана одинаковой массы, при синтезе энергии выделится в 3 раза больше.

Есть правда и незначительные недостатки: тритий в природе не встречается, нежелательная “наведенная” радиация зачастую бывает опасной.

Можно подумать, что в термоядерной энергетике все отлично: отходов не так много, расположить можно где угодно, выдает огромную энергию на единицу массы, но ведь что-то мешает пользоваться ей.

Для того, чтобы произвести слияние ядер, нужно чтобы положительно заряженные ядра атомов преодолели кулоновский барьер — силу электростатического отталкивания между ними. То есть расстояние между ядрами должно быть такое, чтобы сильное взаимодействие начало преобладать над кулоновскими силами (порядка одной стомиллиардной доли сантиметра).

Рисунок 7. Зависимость сил притяжения/отталкивания от расстояние между ядрами. На расстоянии порядка размеров ядра силы сильного ядерного взаимодействия начинают преобладать над кулоновскими и ядра сливаются.

Для этого нужно затратить огромную энергию. Есть 2 варианта как это реализовать: либо сильно сжать, либо сильно нагреть.

Внутри Солнца работает первый вариант: температура внутри ядра 15-16 млн Кельвинов, что, вообще говоря, не так много, но из-за массы, которая в 300 тыс раз больше массы Земли, плазма под высоким давлением удерживается гравитацией.

К сожалению, на Земле такую конструкцию реализовать затруднительно. Такого большого давления мы не создадим, поэтому остается только сильно нагреть.

Термоядерный синтез возможен при одновременном выполнении двух условий:

соблюдение критерия Лоусона. Критерий Лоусона показывает, будет ли реакция давать больше энергии, чем тратится.

скорость соударения ядер соответствует температуре плазмы, к этому мы и стремимся. В этом случае энергии хватит для преодоления электростатического отталкивания. Поэтому для управляемого термоядерного синтеза необходима высокотемпературная водородная плазма.

Следует пояснить, что понятие температуры здесь не то, что мы привыкли видеть. Температура — это мера средней кинетической энергии частиц. Из-за столкновений с большим импульсом возможно их слияние.

На самом деле, чтобы пошла самая простая реакция синтеза с изотопами водорода, нужна температура порядка миллиарда Кельвинов (водород — самый легкий элемент, а чем тяжелее элемент — тем большая нужна температура). Решение этой проблемы было найдено самой природой. Существует так называемый максвелловский хвост. Из-за максвелловского распределения, какие-то частицы будут двигаться быстрее, а какие-то медленнее, поэтому уже в районе 100 млн Кельвинов найдутся частицы, которые будут слипаться. Также есть еще туннельный эффект. Если кратко, то благодаря квантовым эффектам, даже если ядра имеют энергию немного меньше барьера, они смогут с большой вероятностью туннелировать сквозь него.

Рисунок 8. Распределение энергии частиц.

Вот мы и подошли к вопросу о том, почему же вокруг нет термоядерных реакторов. Просто потому что это очень горячо. Нужно все эти разлетающиеся изотопы как-то удержать, чтобы они ничего не касались, потому что такую температуру ни одно вещество не выдержит. Проблема не столько в том, чтобы разогреть до нужной температуры, сколько в том, чтобы эту температуру как-то удержать.

Варианты удержания плазмы

Начнем с самого простого способа удержания плазмы: не удерживать, а просто “выстрелить”. Такие системы называются импульсными. В них управляемый термоядерный синтез осуществляется путем кратковременного нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий сверхмощными лазерными лучами или пучками высокоэнергичных частиц .Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов.

Но этот вариант довольно плохо изучен по сравнению со вторым — магнитным удержанием.

Советские физики Тамм и Сахаров придумали магнитное удержание плазмы еще в 50-х годах. Они руководствовались тем, что плазма — ионизированное вещество, поэтому магнитным полем мы можем создать ловушку. Желательно, чтобы она была замкнутой, чтобы ионы могли бесконечно кружиться. Тут на помощь прикатился бублик(тор). Эту конструкцию обматывают электромагнитными катушками, получается тор с пружинкой поверх него — это не дает плазме ударяться о стенки. Также сверху и снизу устанавливают обкладки, которые позволяют сжимать/разжимать плазму и передвигать ее. Такое устройство принято называть токамак: ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками. Для выработки электроэнергии вода циркулирует в стенах бублика, поглощает тепло и производит пар. Паровая турбина вырабатывает электричество. К сожалению, ничего эффективнее человечество еще не придумало.

В 50-м году в Курчатовском институте показали такой вариант. Так начался международный проект по созданию термоядерного реактора.

Стоит заметить, что токамак — не единственный способ удержания плазмы, есть вариант еще с закрученным тором — стелларатор. С такой конструкцией даже пытались проводить эксперименты: W7-X. Wendelstein 7-X — сложнейшая экспериментальная система. Цель экспериментов с такими установками — доказать, что управляемый термоядерный синтез способен давать энергию. Пока что некоторые ученые ставят это под сомнение. Но проблема в том, что форма для таких электромагнитных катушек очень сложная, а в 60-х годах, когда это придумали, не хватало мощности для расчетов.

Рисунок 9. Слева токамак, справа стелларатор. Серые кольца — магниты, желтым показана термоядерная камера.

Что такое ITER. Какие цели у проекта

ITER(International experimental Thermonuclear Reactor) — Экспериментальный международный термоядерный реактор . ITER относится к термоядерным реакторам типа «токамак».

История ITER берет начало в 80-х годах прошлого столетия. Многие страны объединились, так как решили, что ни одна страна не потянет постройку на своих плечах. Это самая дорогая экспериментальная установка в мире, в ITER до 2025 года планировали вложить почти 20 млрд евро, но учитывая постоянные переносы и новые проблемы, вполне вероятно, что сумма вырастет. Только в 2010 году разобрались со всеми бумажками и начали рыть котлован.

В токамаках возможно осуществить несколько типов реакций слияния. Тип реакции зависит от вида применяемого топлива.Токамак ITER с самого начала проектировался под DT-топливо (дейтерий — тритиевое). Два ядра дейтерия и трития сливаются с образованием ядра гелия и высокоэнергетического нейтрона.

Рисунок 10. ITER Токамак.

Грубо говоря, задача установки — продемонстрировать возможность коммерческого использования термояда, а для этого нужно, чтобы отношение выработанной энергии к затраченной составило хотя бы 10:1. Также целью является отработка разных решений по управлению и т.д., а дальнейшим шагом должно стать строительство установки — DEMO — следующая итерация ИТЕРа.

У ИТЕРа нет задачи построить станцию по выработке электричества для использования людьми. Это экспериментальная установка, которая покажет, что в принципе это возможно в реальности, а не на бумаге, ведь у физиков уже давно все сошлось, а сейчас это очень сложная инженерная задача.

На декабрь 2025-го запланирован пуск первой плазмы в реакторе, который продемонстрирует работоспособность. Планируется, что работать на термоядерном топливе установка начнет в июне 2035 года. До этого предстоит завершить еще несколько крупных этапов, которые приведут станцию в полностью рабочее состояние. На сайте ИТЕР есть рум тур по стройке.

Давайте представим, что все идет по плану и в 2025 году мы получаем первую плазму, ITER показывает, что коммерческое использование термояда выгодно, но что происходит дальше?

Все побегут строить токамаки и мы будем купаться в электричестве? Но ведь все не так просто, даже сам ITER будет очень сложно повторить.

Как говорится, термоядерная энергетика is a new black в мире энергии, но ей предстоит еще долгий путь, прежде чем мы начнем ее повсеместно использовать.

Энергетика будущего

Человечество проделало несколько больших шагов по освоению энергии. Сначала мы научились разводить костер, потом использовать уголь и нефть. Сегодня мы умеем разделять атомы и, возможно, в скором времени научимся их синтезировать. Каждый такой шаг связан с индустриальной революцией, которая характеризуется масштабом добычи энергии, доселе никому невиданным.

Если пофантазировать, логичным шагом дальнейшего развития человечества будет освоение новых территорий и ресурсов, только уже не на нашей планете, а в космосе(если человечество не уничтожит себя раньше). Для этого потребуется невообразимое количество энергии. К счастью, ответ на вопрос “где взять столько энергии?” находится прямо над головой (Солнце). Как мы уже говорили выше, человечество пока только на пути к созданию собственного солнца на Земле.

Если мы хотим освоить метод добычи солнечной энергии, нам нужно будет построить очень большую конструкцию. Например, хорошим вариантом будет сфера Дайсона. Она охватывает звезду, чтобы «захватить» ее энергию.

Существует много способов ее постройки, один из них — “рой сфер”, которые будут крутиться вокруг Солнца, собирать энергию и передавать ее в другое место. Такой способ дал бы людям неограниченный доступ к энергии. Но построить ее не так просто, есть 3 основные проблемы: материал, конструкция и энергозатраты. Кратко пройдем по каждой проблеме.

Для постройки сферы Дайсона потребуется столько материала, что придется разобрать целую планету или даже больше. Лучший кандидат на эту роль — Меркурий, так как он ближе всего расположен к Солнцу, а еще и богат металлом.

Чем проще и надежнее будет конструкция — тем лучше. Солнечные батареи не совсем то, что нужно(маленькое время жизни, дорого, и требуют починки). Проще и надежнее всего — гигантские зеркала, которые будут отражать солнечный свет на центральную станцию.

Однако даже если максимально эффективно использовать все земные ресурсы, нам не хватит энергии, чтобы организовать такую масштабную стройку. Это может быть возможно только в далеком будущем, когда люди смогут успешно осваивать хотя бы планеты солнечной системы. По мнению известного популяризатора науки Карла Сагана, наш уровень по шкале Кардашева равен примерно 0,72. Мы потребляем всего 0,17% от общего энергетического потенциала планеты. Шкала Кардашева — один из способов оценки уровня развития цивилизации по количеству используемой энергии. По ней у цивилизации есть 7 ступеней развития, а человечеству далеко даже до первого типа (цивилизация, которая использует всю энергию своей планеты). Однако это не значит, что нам нужно уничтожать планету для своих нужд. Есть множество способов извлечь энергию из всего, что есть во Вселенной.

Во всех аспектах ископаемое топливо является самым грязным, опасным и неэффективным, в то время как ядерные и современные возобновляемые источники энергии значительно безопаснее и чище, они могут помочь людям сделать шаг вперед и совершить следующую индустриальную революцию.

В заключение отметим: мы рассмотрели только самую верхушку айсберга термоядерной и ядерной энергетики, которые по многим параметрам являются самыми перспективными, однако, на данный момент не так важно перейти на них, как научиться эффективно использовать возобновляемые источники энергии и полностью отказаться от ископаемого топлива. Ведь Земля для нас — единственный дом, который не может бесконечно удовлетворять потребности людей. Даже сейчас постройка термоядерной станции несет за собой огромные потери ископаемых ресурсов, так как практически вся энергия на ее постройку будет добыта с помощью них. Нужно лишь научиться использовать ту энергию, которую Земля сможет восстановить по мере ее использования.

Источник