1.5 Не возобновляемые источники энергии

Термоядерная энергетика

К нетрадиционным не возобновляемым источникам энергии в первую очередь относят термоядерную энергетику и магнитогидродинамические генераторы.

В процессе исследования ядерных реакций было обнаружено, что целесообразно не только делить атомное ядро урана или плутония, но также и соединять тяжелые атомы водорода (дейтерий, тритий). При этом образуется благородный газ – гелий. При слиянии (синтезе) тяжелых ядер водорода высвобождается громадная тепловая энергия, превышающая энергию деления атомного ядра в расчете на 1 кг атомов.

Принципиально возможно создание реакторов на водородном топливе, при этом в качестве отхода этой реакции будет газ гелий. Такие реакторы называются термоядерными или ТОКАМАК (рис. 4.18) – тороидальная камера с магнитными катушками.

Термоядерный процесс был открыт и осуществлен в водородной бомбе, но там он протекает мгновенно и неуправляем, а для использования в энергетике он должен протекать медленно и быть управляемым (этот процесс протекает при температурах около 100 млн. ºС).

Установку ТОКАМАК можно сравнить с трансформатором, у которого вторичная обмотка выполнена в виде замкнутого полого кольца – тора. Заполнение такой кольцевой камеры тяжелыми ядрами водорода (дейтерием) осуществляется в глубоком вакууме. При пропускании тока по первичной обмотке в камере происходит пробой в газе, газ ионизируется и нагревается до высокой температуры. Конечно, здесь возникает много проблем, среди них создание устройств, выдерживающих температуру многих миллионов градусов. Это можно сделать при помощи магнитного поля, которое способно удержать плазму (ионизированный газ) от соприкосновения со стенками устройства, предохраняя их от температурного разрушения.

Рис. 4.18. Модель термоядерного реактора

Существует и еще много проблем, которые пытаются решить и постепенно разрешают ученые всего мира.

На рис. 4.19 показана схема основных технологических контуров термоядерного реактора, работающего на смеси дейтерия (D) и трития (Т). Энергия термоядерных реакций, происходящих в плазме, выделяется в виде энергичных нейтронов (14,1 МэВ) и энергичных ионов гелия – альфа-частиц (3,5 МэВ), поглощается специальным устройством, окружающим плазму, – бланкетом, снимается теплоносителем первого контура охлаждения и используется для получения электроэнергии. Реактор требует снабжения дейтерием и литием. Тритий нарабатывается из лития в процессе работы реактора.

Рис. 4.19. Схема основных технологических контуров термоядерного реактора

Использование термоядерных электростанций в промышленных целях также наталкивается на не преодоленные пока технические трудности, несмотря на то что принципиальная возможность их действия научно обоснована. Кроме того, термоядерная энергия способна создать недопустимый тепловой перегрев среды обитания (парниковый эффект и т. п.) и поэтому не может развиваться неограниченно.

Магнитогидродинамические генераторы

Область науки, изучающая взаимодействие между магнитным полем и токопроводящими жидкостями и газами, называется магнитной гидродинамикой. Поэтому генераторы, работающие на плазменном проводнике, получили название магнитогидродинамических генераторов – МГД-генераторов.

Рис. 4.20. Схема МГД-генератора: 1 – генератор; 2 – магнит; 3 – камера сгорания;

4 – сопло; 5 – подача топлива; 6 – подача воздуха; 7 – подача присадки (ионизирующей);

8 – выход газов; 9 – внешняя электрическая цепь

Интерес к МГД-генераторам (рис. 4.20) заключается в том, что с их помощью можно получать электроэнергию без движущихся машин. Газы нагреваются в камере сгорания 3 МГД-генератора до температуры 5000–7000 °С, т. е. до состояния плазмы, способной к электропроводимости, и проходят с огромной скоростью через магнитное поле магнита 2, в результате чего возбуждается электродвижущая сила. С помощью электродов генератора 1 электрический ток поступает во внешнюю цепь 9.

Однако до реализации в промышленных целях необходимо преодолеть большие технические трудности, связанные с работой узлов МГД-генератора, а также других устройств сверхвысоких температур. Здесь имеется много проблем, которые нужно решать совместными усилиями физиков, энергетиков, материаловедов и др. Трудно превратить большие массы газа в плазму: для этого нужна высокая температура и высококалорийное топливо. При высокой температуре трудно сохранить материалы, из которых построен генератор. Существуют и другие технические и технологические трудности.