Гелий и безнейтронная энергетика

Устройство.

Вакуумный сосуд тороидальной формы (в отличие от токамака стелларатор не имеет азимутальной симметрии; магнитная поверхность имеет форму «мятого бублика») откачивается до высокого вакуума и затем заполняется смесью дейтерия и трития. Затем создается плазма и производится её нагрев. Энергия вводится в плазму при помощи электромагнитного излучения — т. н. электронного циклотронного резонанса. При достижении температур, достаточных для преодоления кулоновского отталкивания между ядрами дейтерия и трития начинаются термоядерные реакции.

Тот факт, что для магнитного удержания плазмы требуется торообразный, а например не шарообразный, сосуд напрямую связан с «теоремой о еже», согласно которой «шаровой ёж» не может быть причёсан — в двух точках ежа иголки будут стоять перпендикулярно «поверхности» ежа. Это напрямую связано с топологическим свойством поверхности — эйлерова характеристика сферы равна 2. С другой стороны, тор возможно причесать гладко, так как его эйлерова характеристика равна 0. Рассматривая вектор магнитного поля как иголку становится ясно, что замкнутая магнитная поверхность может быть только торообразной (или любой другой поверхностью с эйлеровой характеристикой, равной нулю).

В качестве одного из перспективных направлений энергетики будущего специалисты рассматривают безнейтронные реакции синтеза, проходящие с участием изотопа гелия ³He:

³He+³He→⁴He+2p+12,8МэВ,

³He+D→⁴He+p+8,35МэВ.

Эти реакции не сопровождаются появлением потока нейтронов высокой энергии, и, следовательно, реакторы для их проведения будут проще, легче и безопаснее из-за отсутствия наведенной радиоактивности в конструкциях. Однако здесь есть одно "но": ³He на Земле практически не встречается.

Природный гелий состоит из смеси двух изотопов - ⁴He и ³He, причем на долю последнего приходится только 0,000138%. Такое в высшей степени неравномерное распределение связано с тем, что ⁴He образуется при альфа-распаде урана (U), тория (Th) и других природных радионуклидов (напомним, что альфа-частица и есть ядро гелия). В тонне гранита, содержащей около трех граммов урана и пятнадцати граммов тория, образуется только миллиграмм ⁴He почти за восемь миллионов лет. Однако за время существования Земли в коре планеты его накопилось немало. Природные газы содержат до 7% этого изотопа и служат единственным источником его промышленной добычи. А так называемый гелиевый метод - отношение масс He/(U + Th) в минералах - используется для определения их абсолютного возраста.

Изотоп ³He появляется в результате бета-распада (реакция, при которой ядро испускает электрон и нейтрино, меняя заряд на единицу) трития
₁³T→₂³He+e^-+ или при слиянии двух атомов дейтерия D + D → ³He + n.

Так как дейтерия на Земле в целом мало, а трития практически нет вообще, то и ³He обнаруживается в мизерных количествах. Зато на поверхности космических тел, лишенных атмосферы, где проходят интенсивные реакции с потоками солнечных нейтронов высокой энергии, этот изотоп образуется весьма активно. В метеоритном веществе и в лунных породах его содержание колеблется от 17 до 32%. Уже подсчитано, что в обозримом будущем станет экономически выгодно добывать ³He на Луне и доставлять его на Землю для использования в термоядерных реакторах синтеза

Дата добавления: 2015-05-08