можно ли создать солнце на земле

Россия создает искусственное Солнце: зачем оно нужно и какие у него перспективы?

Искусственное Солнце – это мощный термоядерный реактор, такой же как у нашей звезды, только в миниатюре. К этой цели идут США, Китай и другие мировые державы. Разработкой «мини-Солнца» занимается и Россия. Насколько далеко продвинулись наши учёные и когда мы запустим новый источник энергии?

Новый источник энергии

Звезда – это огромный термоядерный котёл. Водород в ходе ядерной реакции превращается в гелий, при этом выделяется огромное количество энергии. Для сравнения, Солнце каждую секунду выбрасывает в космическое пространство 384 септиллиона джоулей.

До Земли доходит лишь миллионная часть – 194 квадриллиона джоулей в секунду, и этого количества хватает на обогрев всей планеты и поддержание условий для жизни! Энергии Солнца хватило бы нам на триллионы лет существования, даже при росте уровня потребления в разы.

То же самое планируется сделать и на Земле, только в миниатюре – создание специальной установки, которая бы работала по принципу термоядерного синтеза. Внутри такого реактора легкие ядра атомов объединяются в более сложные конструкции, вырабатывая огромное количество энергии.

Водородный реактор экологичен, от него нет выбросов, как от использования нефти или газа. Он не оставляет радиоактивных отходов и может заменить все остальные источники энергии. Сложность лишь в том, что превращение водорода в гелий идёт только при температуре от 300 миллионов градусов, при низких температурах процессом тяжело управлять.

Над созданием подходящего аппарата и условий для его функционирования работали еще советские ученые-физики. Именно они стали праотцами современного токамака — тороидальной камеры, предназначенной для магнитного удержания плазмы и создания управляемых процессов ядерного синтеза.

Научно-технологический проект ITER

В 1992 году страны Европы, Россия, США и Япония подписали договор на совместное строительство искусственного Солнца. Позже к ним присоединились и другие страны. Сейчас в проекте участвуют 35 государств.

Мировой проект носит название ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor или международный термоядерный экспериментальный реактор). За основу был взят токамак, разработанный при Союзе. Возводят установку во французском исследовательском центре Cadarache. Предполагается завершить строительство токамака и перейти к испытаниям в 2025 году.

Макет токамака ИТЭР

Россия принимает непосредственное участие в разработке инновационных систем для ИТЭР. В этом направлении работают более 30 отечественных предприятий, среди них Росатом, Курчатовский институт и другие. В целом

Может ли Россия построить собственный термоядерный реактор?

Кроме участия в международных проектах, мы также запускаем и собственные. Отечественные физики активно изучают вопрос термоядерного синтеза и реализуют идеи на практике.

К середине 2021 года планируется запуск токамака Т-15МД. Это будет первая термоядерная установка, запущенная в России. На ней предполагается проводить эксперименты, которые необходимы для успешного завершения проекта ИТЭР.

А ученые Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» улучшают существующий малый сферический токамак так, чтобы на нем можно было проводить дистанционное обучение будущих ядерщиков. Установка получила название МИФИСТ-0.

Кроме того, в Троицком институте есть термоядерный комплекс «ТСП», на базе которого в будущем смогут создать термоядерные устройства нового типа. Все это открывает новые перспективы в развитии ядерной энергетики.

От того, насколько успешным будут ИТЭР и национальные проекты, зависит будущее всего человечества, ведь запасы нефти, газа и угля постепенно иссякают. Кроме того, запуск собственного искусственного Солнца позволит России удержать лидирующие позиции среди других ядерных держав.

Источник

Проблемы создания «рукотворного Солнца» на Земле

17-06-2013, 09:37 | Наука и техника / Размышления о науке | разместил: VP | комментариев: (1) | просмотров: (2 979)

Рассказ о инженерных проблемах термоядерной энергетики максимально доступно, но в то же время — с сохранением всего объёма технической информации, необходимого для понимания того, во что и где упёрлись учёные, инженеры и строители в деле создания «рукотворного Солнца» на Земле.

Вначале о понятном — о размерах. Вот сравнение (чисто в рамках геометрии установок!) того пути, который уже был пройден и который ещё предстоит пройти термоядерной энергетике:

Блоха в левом нижнем углу рисунка — это первый настоящий токамак Т-3, созданный в СССР и продемонстрировавший миру принципиальную возможность создания электростанции, основанной на магнитном удержании высокотемпературной плазмы для создания термоядерной реакции. Маленькая палочка под трубой большого ITERa, который сейчас строит весь мир — это человек, вот он же в сравнении с токамаком Т-3 на старом архивном фото:

Как видите — наши отцы даже и не представляли, насколько трудная и масштабная задача предстоит им в деле покорения термоядерной энергии.
Причём, если кто-либо думает, что путь прогресса от Т-3 до ITERа — это лишь вопрос нахождения молотка побольше и организации таджиков на заливку бетонного основания токамака — то он глубоко ошибается.
ITER гораздо технологичнее самого последнего и самого большого современного токамака JET во столько же раз, во сколько раз и сам JET технологичнее старого, доброго, «лампового» Т-3.

Надо сказать, что даже ITER ещё будет, несмотря на всю свою технологичность, всего лишь «наскоро сделанным на коленке» прототипом. Конечно, не на коленке, конечно не наскоро, но именно — прототипом. Например, охлаждение первой стенки реактора в нём будет вестись с помощью обычной воды, в то время, как в серийной термоядерной станции DEMO, строительство которой начнут сразу же после постройки и успешного пуска ITERа — первая стенка плазменной камеры будет охлаждаться уже жидким гелием.

И вот тут мы подходим к одному интересному моменту, который часто не осознаётся многими людьми, которые слушали о термоядерной энергии только в рамках школьного курса физики.
Поясню, в чём состоит тонкий момент термоядерной реакции, которую сейчас хотят запустить в реакторе ITER.

Как вы помните, напрямую повторить реакции по слиянию ядер протия, которые идут в недрах нашего Солнца или же сложный CNO-цикл, который тоже понемногу превращает «лёгкий» водород в гелий, в земных условиях невозможно. Просто потому, что размеры реактора для таких циклов и реакций необходимы просто безумные — речь идёт о том, что термоядерные реакции на лёгком водороде нуждаются в реакторе размером с наше Солнце.

CNO-цикл, который тоже греет наше Солнце, вместе с вездесущим протием.

Вообще же. если мы начнём искать варианты минимальных условий для создания самоподдерживающейся ядерной реакции на лёгких элементах (так, чтобы ничего не строить), то мы упрёмся в такие необычные объекты, как коричневые карлики.
«Коричневый карлик» — это звездоподобный объект, размеры которого будут сравнимы с размерами нашего Юпитера, но масса будет уже в 10-30 раз больше, что уже позволят ненадолго зажечь в своих недрах эрзац-реакцию на лёгких элементах.

Сравнение Солнца, красного карлика, коричневого карлика, Юпитера и Земли.

Как видите, по размеру небольшой коричневый карлик ненамного больше Юпитера. Основное его отличие — это плотность и масса. Масса коричневого карлика создаёт более сильное гравитационное поле, поле сжимает карлик, плотность и температура внутри него растут и, вуаля — начинается термоядерная реакция.

Если красные карлики — это всё ещё полноценные звёзды (правда и маленькие), то коричневые карлики — это что-то среднее между планетами типа Юпитера и настоящими светилами. Из-за своей наружной температуры около 1200 К (900 °C) коричневые карлики светятся тёмно-вишнёвым светом. Самые яркие и самые массивные из них могут даже разгореться до тёмно-красного свечения, набрав на пике своей «мощности» температуру до 3000 К (около 2700 °C).

Отличны от настоящих звёзд главной последовательности и реакции, которые идут в коричневых карликах.
В нашем Солнце реакции «протий+протий» и CNO-цикл вносят где-то по 60 и 40% в общее энерговыделение нашего светила. Но проблема в том, что реакция «протий+протий» стартует в звёздах где-то от температуры в 4 млн. К, а CNO-цикл — и при того более высоких температурах — при 12 млн. К.

При температурах же, характерных для коричневых карликов, ни реакцию «протий-протий» ни тем более, CNO-цикл — не зажечь. Совершенно же невозможно для коричневого карлика зажечь и реакцию синтеза углерода из ядер гелия-4, которую предстоит пройти и нашему Солнцу где-то через 3,5 млрд. лет, в момент превращения его в красный гигант. Для реакции синтеза гелия в углерод надо поднять температуру внутри звезды «всего лишь» до 100 миллионов градусов Кельвина, чем даже наше Солнце пока, к счастью, похвастаться не может.

Что же жгут в своих недрах коричневые карлики? Ведь их уже нашли больше трёх десятков (в основном, по понятным причинам — у ближайших к нам звёзд), а жечь протий или что-то другое у себя в недрах они не могут.
Для того, чтобы понять, что жгут коричневые карлики, посмотрим на несколько диаграмм. Первая — это энергия связи ядер различных химических элементов в расчёте на один нуклон — нейтрон или протон:

График начинается с ядра дейтерия, нелёгкое образование которого из протия мы рассмотрели в прошлом материале. Сам протий — ядро 1 H или одиночный протон. на этом графике не показан по понятной причине — энергия связи одиночного протона по определению равна нулю.

Исходя из такой мощной энергии связи альфа-частицы мы уже можем по-настоящему понять график распространённости химических элементов во Вселенной:

Как видите, «магистральное шоссе» синтеза ядер у нас чёткое и однозначное.
Водород горит в гелий, гелий горит в углерод и кислород, кислород и углерод горят в кремний, а кремний горит в железо.
Железо — это термоядерные угли, которые уже не могут гореть сами по себе, поскольку имеют максимально возможную для ядер энергию связи.
Практически все элементы группы железа и всё тяжелее этого химического элемента попадает во внешний мир только при взрывах сверхновых звёзд.
Если это вас утешит — то каждый атом углерода, кислорода или азота в вашем теле — уже как минимум один раз побывал в звезде. ну а вся Земля, в целом — это звёздный пепел. По большей части, конечно.

И в этом звёздном пепле можно всё-таки отыскать немного недогоревших головешек. Именно эти головешки и жгут коричневые карлики и собираются поджечь хитрые учёные.
Это атомы, которые притаились в первой части таблицы, но которые имеют энергию связи меньшую, чем наша магическая альфа-частица.
Вот, поимённо, весь этот список: дейтерий и тритий (это у нас изотопы водорода), литий, бериллий, бор.

Всего пять головешек оставила нам природа для того, чтобы поджигать наш земной костёр из лёгких ядер. Причём это именно что «огарки» — по сравнению с лёгким водородом — протием этих элементов и изотопов у нас до обидного мало.
Но людишки бы не были Homo Sapiens, если бы не нашли интересный выход из сложившейся ситуации с недостатком свинца в организме врага лёгких ядер в составе Земли.

Энергия связи ядра протия, как мы помним, равна нулю. При встрече двух протонов должно произойти невероятное событие: один из протонов должен виртуально превратиться в нейтрон (за счёт слабого взаимодействия) и тут же образовать устойчивое ядро дейтерия — дейтрон, энергия связи в котором чуть больше, чем разница в массах протона и нейтрона.
То есть, конечно, окончательное состояние двух протонов в ядре дейтрона более энергетически выгодное, но вот в начале вопрос того, кто будет сверху превратится в нейтрон, отнюдь не столь очевидно.

А что будет, если протону подсунуть под нос уже готовый нейтрон?

Да, всё будет так, как показали в «Матрице». Любой протон, который окажется достаточно близко с тепловым (то есть — медленно идущим) нейтроном, тут же быстро захватит его под руку и образует супружескую пару устойчивое ядро дейтрона.
Ну а дейтрон, в принципе, может захватить и ещё один нейтрон и образовать ядро трития.
Тут, конечно, аналогии с людьми можно смело заканчивать — поскольку хоть тритий и неустойчивое ядро, но распадается по β-распаду в 3 He, тот самый гелий-3, который надо копать на Луне.

В общем, был бы у нас годный источник тепловых нейтронов — а уже задача наработки термоядерного горючего из обычной воды для нас стоять не будет в принципе. Хочешь дейтерий получай, хочешь — тритий, а хочешь — подожди и гелий-3 получишь.

Значит, на каждый атом урана можно легко получить атом дейтерия. Просто из воды охлаждающей водяной рубашки первого контура. В которой у нас будет «коктейль» из дейтерия. трития и гелия-3. Доставку термоядерного топлива заказывали?

С топливом разобрались? А теперь ответим на прозвучавший в начале статьи вопрос. А зачем охлаждают переднюю стенку камеры токамака? Как же учёные собираются забрать тепло от плазменного шнура в реакторе ITER?

Энергию будут снимать с нейтронов. Которые в изобилии будет давать термоядерная реакция синтеза дейтерия и трития в гелий, которую и хотят запустить в термоядерном реакторе. Вот она:

Ещё раз, что важно. Энергия при реакции синтеза не выделяется просто так. Часть энергии остаётся в плазме в виде заряженной частицы гелия-4, а часть энергии неизбежно покидает плазму в виде быстрого нейтрона. Нейтрон — частица незаряженная, девушка вольная и улетает со своим «приданным» куда импульс велит.
А приданного — почти что 80% от всего выхода термоядерной реакции. Только 3,5 МэВ энергии от реакции синтеза остаётся в плазме, а 14,1 МэВ улетает куда подальше в виде высокоэнергетического нейтрона, которому это ваше магнитное поле — что слону дробина.

14,1 МэВ — это много или мало?
Это не просто много — это супермного. Такими высокоэнергетическими частицами можно делать всё, что угодно. Например, дробить неделимый торий, который слабенькими нейтронами распада делиться не хочет в принципе. Или — получать из урана плутоний. Или — делить упрямый 238 U, который, как и торий, делится нейтронами от распада 235 U очень неохотно.
Ну или, опять-таки, окружить токамак за первой, тонкой и охлаждаемой стенкой вакуумной камеры с плазмой, которая для нейтронов всё равно, что бумага, снова-таки водяной рубашкой.

Из протиевой воды, которой у нас — целые океаны по всей Земле. И снова, за счёт нейтронов синтеза, нарабатывать из протия дейтерий, тритий и гелий-3.
Короче, если кто смотрел «Обливион» с Томом Крузом, то мегакипятильники, которые «воровали» с Земли дейтерий и которые Круз смело и героически охранял — это бред:

Кипятильник не нужен. Если у тебя есть термоядерный реактор на реакции D+T, то ты наработаешь себе и немножко трития и «трошечки, тiльки для себе» дейтерия на будущее. И плутония. И тория. И урана. Да и вообще — всю таблицу Менделеева.

Философский камень заказывали?
Да, я тут нашёл. В головешках от термоядерного пожара последней сверхновой.

Источник

Искусственное солнце для ваших растений

Почти в каждой оранжерее обязательно растут экзотические растения из тропических стран, где и солнца больше, и день длиннее. Без искусственного освещения многие растения просто не выживут. Или выживут, но разве ж это жизнь: не зацвести, не разрастись как следует.

При освещении, максимально приближенному к естественному, растения счастливы. И об этом хорошо бы подумать на стадии проектирования зимнего сада.

Естественное освещение

— Ориентация на юг позволяет максимально полно использовать свет Солнца.

— Благодаря арочной конструкция с рассчитанным наклоном солнечный свет всегда падает перпендикулярно большей части поверхность панели.

— Прозрачное покрытие занимает половину потолка, а это обеспечивает освещенность, которую не даст даже сплошное остекление стен.

— Белые стены и светлый пол отражают свет и повышают общий уровень освещенности.

— Благодаря неидеальной прозрачности сотового поликарбоната свет в помещении рассеянный.

Освещать или досвечивать?

Освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния от лампы до поверхности. То есть, если вы передвинули лампу, которая висела в 25 сантиметрах над растениями, и теперь она висит на высоте полметра, то освещенность уменьшиться в четыре раза. Еще освещенность зависит от величины угла, под которым расположена лампа. Это как солнце – в зените летом оно освещает землю в несколько раз больше, чем в зимний день, повиснув низко над горизонтом. Все это надо учитывать.

Планируя освещение своей оранжереи, подумайте, какого количества света не хватает вашим растениям, собираетесь ли вы их досвечивать или полностью освещать. Если нужно только досвечивать, то можно обойтись дешевыми люминесцентными светильниками, почти не заботясь об их спектре. Но лучше выбирать более длинные лампы – они мощнее, и светоотдача у них лучше.

А если естественного освещения нет, то подумать о спектре все-таки придется.

Синий и красный

Как мы помним из школьных уроков биологии, свет в растении поглощается различными пигментами, в основном, хлорофиллом, и происходит это в синем и красном участках спектра. И если правильно подбирать спектр, чередовать длительность светлого и темного периодов в оранжерее, то можно ускорять или замедлять развитие растения, сокращать вегетационный период и т.д. Поэтому, например, в теплицах используются натриевые лампы, у которых большая часть излучения приходится на красную область спектра. Пигменты с пиком поглощения в синем участке отвечают за рост растения и развитие листьев. Растения, выросшие под обычной лампой накаливания, обычно чрезмерно высокие: им не хватает синего цвета, и они тянутся вверх, чтобы получить хоть немного.

Лампы накаливания – самый дешевый, но самый плохой источника света для растений не только из-за отсутствия синего цвета в спектре. Большая часть электроэнергии в них превращается в тепло, поэтому такие лампы размещают как можно дальше от цветов, а это еще снижает их эффективность. Их используют разве что для нагревания воздуха и в комбинации с люминесцентными лампами холодного света, в спектре которых мало красного.

Получается, что светильники в оранжерее должны содержать как красные, так и синие цвета спектра, и сейчас это предлагают многие производители люминесцентных ламп. Фитолампы больше подходят для растений, чем обычные люминесцентные, которые используются в комнатах.

Для больших зимних садов подойдут газоразрядные лампы. Они считаются самыми яркими. Одна такая компактная лампа способна освещать большую площадь оранжереи.

Но все специализированные лампы намного дороже обычных, и, как считают наши форумчане, можно просто установить мощную лампу с высоким коэффициентом цветопередачи (маркировка лампы начинается на 9). В ее спектре будут все необходимые составляющие. Бонус: она даст намного больше света, чем специальная лампа.

Световой день

Есть ли предельное количество света для растений? На forumhouse.ru и этот вопрос, конечно, обсуждался.

Десс:

Обычно в оранжереях светильники устанавливают над растениями примерно в полуметре от верхнего листа. Для светолюбивых растений высота сокращается до 15 сантиметров. Опытные цветоводы делают так: размещали лампы повыше, а потом постепенно приближали к ним растения, устанавливая их на различные подставки. Чем выше становится растение, тем меньше подставка, потом ее можно убрать совсем.

Светильник должен размещаться по всей длине стеллажа с растениями. Если лампы небольшой мощности, то их монтируют по несколько штук и снабжают отражателями. Общая мощность ламп на квадратный метр площади с растениями должна составлять 100-150 Вт.

В зимнем саду форумчанина Димы Данилова три вида освещения: свет из окон, искусственная подсветка из люминесцентных ламп под потолком и свисающих фитоламп. В солнечные дни фитолампы не включаются. В прошлом году была очень «серая» зима, поэтому использовались оба дополнительных источников подсветки.

1) КПД у них самый высокий, не зря же их применяют для освещения стадионов и зданий. Соответственно, и экономичные они.

2) Спектр, идеально подходящий для растений. Продвинутые аквариумисты и те, кто выращивают аквариумные растения на продажу, используют именно их.

3) Невысокая цена, при этом одна лампа освещает 3-4 квадратных метра.

Главное, не путать металлогаллогенные прожектора с обычными галогенными (такие не подходят).

Таинственно и красиво

В темное время суток зимний сад будет выглядеть таинственно и прекрасно, если расставить лампы в его отдельных уголках, желательно под растениями. Разноцветные лампы позволят добиться волшебного, космического эффекта. Декоративные элементы оранжереи хорошо освещать светильниками с отражателями, которые создают направленный поток света.

Идеальные источники света для подсветки растений созданы на основе полупроводниковых светодиодов, которые излучают по всему видимому диапазону: от ближнего инфракрасного до ультрафиолетового. Кроме того, срок их службы практически неограничен. Именно такое освещение применяется в космических гидропонных оранжереях. Но они очень дороги, поэтому не особенно распространены.

Нерегулярное дополнительное освещение не будет иметь никакого смысла. Включая светильники от случая к случаю, вы только собьете биоритмы растений. Для полноценного развития растениям, особенно тропическим, нужен длинный световой день, часов на 12-14. Тогда они будут цвести и хорошо себя чувствовать. В идеале подсветку надо включать за несколько часов до рассвета и выключать через несколько часов после того, как солнце закатится за горизонт. Чтобы не подгонять свой режим под капризные растения, можно пользоваться двухрежимным таймером-реле.

О самом бюджетном варианте оранжереи читайте здесь. А это видео рассказывает о большом доме с оранжереей – возможно, вы почерпнете из него несколько хороших идей.

Источник