Работа для НПК "Шаг в будущее"

Школьная научно-практическая конференция

школьников

«Шаг в будущее»

тема:

Тритий - альтернативный источник энергии

Гомбуева Арюна,

Олин Андрей,

МАОУ Средняя общеобразовательный школы №1

г.Улан-Удэ

Класс 11-б

Россия, Республика Бурятия, г.Улан-Удэ

Научный руководитель:

Цыремпилова Юлия Егоровна, учитель физики.

МАОУ Средняя общеобразовательный школы №1

г.Улан-Удэ

Содержание:

1. Введение

2. Основная часть:

-что представляет собой изотоп гелия-3

-особенности применения.

Расчетная часть

3. заключение

4.Список литературы.

Введение.

Цель работы: провести исследования на основе которых, доказать преимущества и рациональность использования реакции разложения изотопов гелия-3.

Задачи исследования:

1. Сравнить количество энергии, выделяемую различными источниками энергии на планете.

2. Провести анализ полученных данных

3. Провести расчет проведения реакции гелия

4. Выделить плюсы и минусы получения энергии из реакции гелия

Объект исследования: Реакция разложения гелия-3

Предмет исследования: Энергия реакции

Методы исследования, используемые в данной работе: теоретическое- изучение и анализ литературы по данной теме, анализ и интерпретация экспериментальных данных.

Основная часть.

Ученные всего мира уже долгое время пытаются решить проблему нехватки энергоресурсов. На сегодняшний день все виды топлива подходят к концу, человечество на грани энергетического кризиса. И сейчас особо важно найти как можно быстрее альтернативу известным видам топлива. Уже на сегодняшний день остро стоит проблема экологической безопасности планеты. В окружающую среду выбрасываются миллионы тонн ядовитых отходов с предприятий, вырабатывающих энергию. Например: ГРЭС, ТЭС,АЭС и другие заводы. Не только наша планета страдает от загрязнений, но и мы сами. У большинства людей обостряются заболевания дыхательных путей, повысился риск образования раковых клеток, появляются новые виды заболеваний. Уже в наши дни реально использование более безопасного метода добычи энергии- это использование изотопа гелия-3, о котором и пойдет речь далее.

Что представляет собой изотоп гелия-3?

Гелий-3 — изотоп гелия, ядро которого состоит из двух протонов и одного нейтрона, что в сумме дает три адрона в ядре. В природе встречается очень редко и имеет широкую область применения, выступает главным кандидатом на топливо для термоядерных реакторов.

Общее количество гелия-3 в атмосфере Земли оценивается всего лишь в 35 000 т. Его поступление из мантии в атмосферу (через вулканы и разломы в коре) составляет несколько килограммов в год. А так же гелий-3 содержится в больших количествах на поверхности Луны, а точнее в верхнем слое лунного реголита. По уже известным данным тонна лунного грунта содержит 0,01 г гелия-3 и 28 г гелия-4; это изотопное соотношение (~0,04%) значительно выше, чем в земной атмосфере.

Амбициозные планы добычи гелия-3 на Луне, на полном серьезе рассматриваемые не только космическими лидерами (Россия и США), но и новичками (Китай и Индия), связаны с надеждами, которые возлагают на этот изотоп энергетики.

Особенности применения

И так разберемся, чем так востребован изотоп гелия-3, что страны-лидеры готовы проводить его добычу на луне. В каких областях он применяется, а также какие положительные стороны несет нам использование этого изотопа.

Основной причиной выбора нами этой темы стала возможность получение огромного количества энергии при при реакции синтеза дейтерия с изотопом гелия-3. Данная реакция способна провести целую революцию в области термоядерной энергетики.

На сегодняшний день человечеством активно используется метод получения энергии путем деления ядра атома, что мы и можем наблюдать на современных АЭС. Также в термоядерной энергетике используется альтернативная замена данному процессу - реакция дейтерий-тритий, которая является более безопасной , но имеет ряд недостатков. Например:

• При данной реакции выделяется куда большее число высокоэнергетических нейтронов. Столь интенсивного нейтронного потока ни один из известных материалов не может выдержать свыше шести лет- при этом имеет смысл делать реактор со сроком службы 30 лет.

• От мощного нейтронного излучения необходимо экранировать магнитную систему реактора, что усложняет и удорожает конструкцию.

• Многие элементы конструкции тритиевого реактора после окончания эксплуатации будут высокоактивными и потребуют захоронения на длительный срок в специально созданных для этого хранилища.

В случае же использования в термоядерном реакторе дейтерия с изотопом гелия-3 вместо трития большинство проблем удается решить. Интенсивность нейтронного потока падает в 30 раз- соответственно, можно без труда обеспечить срок службы в 30-40 лет. Кроме того, один из продуктов реакции-протоны - в отличие от нейтронов, легко управляются и могут быть использованы для дополнительной генерации энергии.После окончания эксплуатации гелиевого реактора высокоактивные отходы не образуются, а радиоактивность элементов конструкции будет так мала, что их можно свободно захоронить. Также гелий-3 и дейтерий неактивны, их хранение не требует особых мер предосторожности, а при аварии реактора с разгерметизации активной зоны радиоактивность близка к нулю.

Опираясь на очевидные плюсы данной реакции мы провели ряд расчетов, позволяющее говорить в пользу данной реакции.

1. Реакция слияния изотопа гелия и трития

32Не + 31Н = 42Не + 211Н

Энергетический выход реакции:

Q1= {(3,01602 а.е.м. + 3, 01605 а.е.м.) ‑ (4,0026 а.е.м.+ 2 х 1, 00783 а.е.м.)} х 931,5 Мэв/ а.е.м. = 12,846 Мэв =20,58 х 10-13Дж

Для m= 1 грамм

Количество частиц: N = 𝑚µ Na

N = 10−3кг 0,003 кг/моль 6х10^23 1/моль = 2 х 1023

Энергия, выделяющаяся при слиянии 1 грамма изотопа гелия и трития:

Q = N x Q1 = 2 х 1023 x 20,58 х 10-13Дж = 41,16 x 1010Дж

2. Ядерная реакция уран ‑ 235

Далее мы решили сравнить количество энергии выделяемое этой реакцией с ядерной реакцией урана:

Для сравнения масса 1 грамм урана:

Реакция деления: 23592U + 10n = 13756Ва + 8436Kr + n

Q1 = 200 Мэв = 320 х 10-13 Дж

Для m= 1 грамм

Количество частиц: N = 𝑚µ Na

N = 10−3кг 0,235 кг/моль 6х10^23 1/моль = 25,5 х 1020

Q = N x Q1 = 25,5 х 1020 x 320 х 10-13 Дж = 8,16 x 1010Дж

3. Энергия, выделяющаяся при сгорании топлива

Аналогично сравнили и с другими возможными видами топлива и отразили это на диаграмме:

Для массы 1 грамм:

А) каменный уголь Q = qm

Q = 30 x 106 ДЖкг x 10-3 кг = 30 х 103 Дж

Б) дрова древесные сухие

Q = 13 x 106 ДЖкг x 10-3 кг = 13 х 103 Дж

В) нефть

Q = 41 x 106 ДЖкг x 10-3 кг = 41 х 103 Дж

Г) древесный уголь

Q = 31 x 106 ДЖкг x 10-3 кг = 31 х 103 Дж

Д) бензин

Q = 42 x 106 ДЖкг x 10-3 кг = 42 х 103 Дж

Е) Бурый уголь (брикеты)

Q = 21 x 106 ДЖкг x 10-3 кг = 21 х 103 Дж

Ж) торф

Q = 15 x 106 ДЖкг x 10-3 кг = 15 х 103 Дж

З) спирт

Q = 25 x 106 ДЖкг x 10-3 кг = 25 х 103 Дж

Как мы видим использование изотопа гелия-3 дает просто колоссальное количество энергии. Энергия полученная из одного грамма гелия-3 в 5 раз превышает энергию, полученную при ядерной реакции урана ,и 13 млн. энергию, полученную от сгорания бурого угля.

Так же гелий-3 нашел свое применение не только в термоядерной физике, но и в медицине, а также в криогенетике.

Гелий-3 используется в магнитно-резонансной томографии. Где намагниченные протоны этого газа помогают дать четкое изображение пористых или полых органов нашего тела, например легких.

Еще одна отрасль, которая не может обойтись без гелия-3 — это криогенная промышленность. Для достижения сверхнизких температур применяется т.н. рефрижератор растворения, который использует эффект растворения гелия-3 в гелии-4. При температуре ниже 0.87 К смесь разделяется на две фазы — богатую гелием-3 и гелием-4. Переход между этими фазами требует энергии, и это дает возможность охлаждения до очень низких температур — до 0,02 К. Простейшее такое устройство имеет достаточный запас гелия-3, который постепенно перемещается через границу раздела фаз в фазу, богатую гелием-4 с поглощением энергии. Когда запас гелия-3 закончится, устройство не сможет работать далее — оно «одноразовое».

Именно такой способ охлаждения, в частности, использовался в орбитальной обсерватории Planck Европейского космического агентства. В задачу «Планка» входила регистрация анизотропии реликтового излучения (с температурой около 2,7 К) с высоким разрешением с помощью 48 болометрических детекторов HFI (High Frequency Instrument), охлаждаемых до 0,1 К. До того, как запас гелия-3 в системе охлаждения был исчерпан, «Планк» успел сделать 5 снимков неба в микроволновом диапазоне.

Добыча гелия на луне

в призентации

Заключение

Существует большое количество способов получения энергии, некоторые из них требуют потребления невосполнимых ресурсов, другие вырабатывают энергию в недостаточных количествах. Все они ,так или иначе, используются для выполнения поставленной задачи. В процессе выполнения работы были проведены исследования в результате которых удалось:

-Собрать данные получаемой энергии с различных видов топлива.

-Провести расчеты на основе которых получилось привести более выгодную и безопасную альтернативу.

В результате мы получили решение энергетической проблемы, на основе собранных данных проект планируется развивать. Данная работа получит дальнейшее развитие в будущем и будет постоянно дополняться.

Список литературы:

http://nlo-mir.ru/luna/2864-gelijtri-jenergija-budusc.. 

http://astronaut.ru/bookcase/books/shevch/text/05.htm 

https://www.popmech.ru/science/12447-dobryy-doktor-ge.. 

http://spacegid.com/helium-3.html 

http://www.yaplakal.com/forum7/topic1118375.html