Что такое термоядерная реакция

Термоядерная реакция

Термоядерная реа́кция — разновидность ядерной реакции, при которой лёгкие атомные ядра объединяются в более тяжёлые за счет кинетической энергии их теплового движения.

Содержание

Происхождение термина

Для того, чтобы произошла ядерная реакция, исходные атомные ядра должны преодолеть так называемый «кулоновский барьер» — силу электростатического отталкивания между ними. Для этого они должны иметь большую кинетическую энергию. Согласно кинетической теории, кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а следовательно, нагревая вещество можно достичь ядерной реакции. Именно эту взаимосвязь нагревания вещества и ядерной реакции и отражает термин термоядерная реакция.

Кулоновский барьер

Атомные ядра имеют положительный электрический заряд. На больших расстояниях их заряды могут быть экранированы электронами. Однако для того, чтобы произошло слияние ядер, они должны сблизиться на расстояние, на котором действует сильное взаимодействие. Это расстояние — порядка размера самих ядер и во много раз меньше размера атома. На таких расстояниях электронные оболочки атомов (даже если бы они сохранились) уже не могут экранировать заряды ядер, поэтому они испытывают сильное электростатическое отталкивание. Сила этого отталкивания, в соответствии с законом Кулона, обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами. На расстояниях порядка размера ядер величина сильного взаимодействия, которое стремится их связать, начинает быстро возрастать и становится больше величины кулоновского отталкивания.

Таким образом, чтобы вступить в реакцию, ядра должны преодолеть потенциальный барьер. Например, для реакции дейтерий-тритий величина этого барьера составляет примерно 0,1 МэВ. Для сравнения, энергия ионизации водорода — 13 эВ. Поэтому вещество, участвующее в термоядерной реакции, будет представлять собой практически полностью ионизированную плазму.

Температура, эквивалентная 0,1 МэВ, приблизительно равна 10 9 К, однако есть два эффекта, которые снижают температуру, необходимую для термоядерной реакции:

  • Во-первых, температура характеризует лишь среднюю кинетическую энергию, есть частицы как с меньшей энергией, так и с большей. На самом деле в термоядерной реакции участвует небольшое количество ядер, имеющих энергию намного больше средней (т. н. «хвост максвелловского распределения»).
  • Во-вторых, благодаря квантовым эффектам, ядра не обязательно должны иметь энергию, превышающую кулоновский барьер. Если их энергия немного меньше барьера, они могут с большой вероятностью туннелировать сквозь него.

Мюонный катализ

Термоядерная реакция может быть существенно облегчена при введении в реакционную плазму отрицательно заряженных мюонов.

Мюоны µ − вступая в взаимодействие с термоядерным топливом образуют мезомолекулы, в которых расстояние между ядрами атомов топлива несколько меньше, что облегчает их сближение и, кроме того, повышает вероятность туннелирования ядер через кулоновский барьер.

Число реакций синтеза Xc, инициируемое одним мюоном, ограничено величиной коэффициента прилипания мюона. Экспериментально удалось получить значения Xc

100, т. е. один мюон способен высвободить энергию

100 × Х МэВ, где Х — энергетически выход катализируемой реакции.

Пока величина освобождаемой энергии меньше, чем энергетические затраты на производство самого мюона (5-10 ГэВ). Таким образом, мюонный катализ пока энергетически невыгодный процесс. Коммерчески выгодное производство энергии с использованием мюонного катализа возможно при Xc

Термоядерные реакции

(1) D + T 4 He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)
(2) D + D T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) (50 %)
(3) 3 He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) (50 %)
(4) D + 3 He 4 He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV)
(5) T + T 4 He + 2 n + 11.3 MeV
(6) 3 He + 3 He 4 He + 2 p
(7) 3 He + T 4 He + p + n + 12.1 MeV (51 %)
(8) 4 He (4.8 MeV) + D (9.5 MeV) (43 %)
(9) 4 He (0.5 MeV) + n (1.9 MeV) + p (11.9 MeV) (6 %)
(10) D + 6 Li 2 4 He [1] + 22.4 MeV —
(11) p + 6 Li 4 He (1.7 MeV) + 3 He (2.3 MeV)-
(12) 3 He + 6 Li 2 4 He + p + 16.9 MeV
(13) p + 11 B 3 4 He + 8.7 MeV

Применение

Применение термоядерной реакции как практически неисчерпаемого источника энергии связано в первую очередь с перспективой освоения технологии управляемого термоядерного синтеза (УТС). В настоящее время научная и технологическая база не позволяет использовать УТС в промышленных масштабах.

Вместе с тем, неуправляемая термоядерная реакция нашла своё применение в военном деле. Впервые термоядерное взрывное устройство было испытано в ноябре 1952 года в США, а уже в августе 1953 года в Советском Союзе испытали термоядерное взрывное устройство в виде авиабомбы. Мощность термоядерного взрывного устройства (в отличие от атомного) ограничена лишь количеством используемого для его создания материала, что позволяет создавать взрывные устройства практически любой мощности.

Что такое термоядерная реакция?

Термоядерная реакция – это ядерная реакция между легкими атомными ядрами, протекающая при очень высокой температуре (выше 10 8 К). При этом образуется большое количество энергии в виде нейтронов с высоким энергетическим показателем и фотонов – частиц света.

Высокие температуры, а следовательно, и большие энергии ядер, которые сталкиваются, необходимы для преодоления электростатического барьера. Этот барьер обусловлен взаимным отталкиванием ядер (как одноименно заряженных частиц). Иначе они не смогли бы сблизиться на расстояние, достаточное для действия ядерных сил (а это примерно 10-12 см).

Термоядерная реакция представляет собой процесс образования ядер, которые сильно связаны между собой, из более рыхлых. Почти все подобные реакции относятся к реакциям слияния (синтеза) более легких ядер в тяжелые.

Кинетическая энергия, необходимая для преодоления взаимного отталкивания, должна увеличиваться по мере увеличения заряда ядра. Поэтому легче всего проходит синтез легких ядер, обладающих малым электрическим зарядом.

В природе термоядерная реакция может протекать лишь в недрах звезд. Для ее осуществления в земных условиях необходимо разогреть вещество одним из возможных способов:

  • ядерным взрывом;
  • бомбардировкой интенсивным пучком частиц;
  • мощным импульсом лазерного излучения или газовым разрядом.

Термоядерная реакция, которая идет в недрах звезд, играет архиважную роль в эволюции Вселенной. Во-первых, из водорода в звездах образуются ядра будущих химических элементов, а во-вторых, это энергетический источник звезд.

Термоядерные реакции на Солнце

На Солнце в качестве основного источника энергии выступают реакции протон-протонного цикла, когда из четырех протонов рождается одно ядро гелия. Энергия, которая выделяется в процессе синтеза, уносится образующими ядрами, нейтронами, нейтрино и квантами электромагнитного излучения. Изучая идущий от Солнца поток нейтрино, ученые могуть установить, природу и интеснивность ядерных реакций , которые происходят в его центре.

Средняя интенсивность энерговыделения Солнца по земным меркам ничтожна – всего 2 эрг/с*г (на 1 грамм солнечной массы). Эта величина гораздо меньше, чем скорость электровыделения в живом организме в процессе стандартного обмена веществ. И только благодаря огромной массе Солнца (2*1033 г) общий объем излучаемой им мощности составляет такую гигантскую величину, как 4*1028 Вт.

Благодаря огромным размерам и массе Солнца и остальных звезд, проблема удержания и термоизоляции плазмы решается в них идеально: реакции протекают в горячем ядре, а теплоотдача происходит с более холодной поверхности. Только поэтому звезды могут настолько эффективно производить энергию в столь медленных процессах, как протон-протонных цикл. В земных условиях такие реакции практически неосуществимы.

Термоядерная энергетика — основа будущего

На нашей планете есть смысл применять и использовать только наиболее эффективные из термоядерных реакций – прежде всего синтез гелия из ядер лейтерия и трития. Подобные реакции в сравнительно крупных масштабах осуществимы пока только в испытательных взрывах водородных бомб. Тем не менее, постоянно ведутся все новые разработки с целью эффективного получения мирной электроэнергии. Традиционная атомная энергетика использует реакцию распада, а в термоядерной энергетике задействован синтез. При этом термоядерная реакция имеет ряд неоспоримых преимуществ перед реакцией ядерного распада.

1. При термоядерных реакциях есть возможность избежать выделения радиоактивного излучения, поскольку энергетическим продуктом в данном случае является «чистая» энергия света.

2. По количеству получаемой энергии термоядерные процессы намного обгоняют традиционные атомные реакции, которые используются в современных реакторах.

3. Чтобы поддерживать реакцию ядерного распада, необходим постоянный контроль потока нейтронов, иначе может последовать неуправляемая цепная реакция, опасная для человечества. Для получения термоядерной энергии вместо потока нейтронов используется высокая температура, поэтому подобные риски исчезают.

4. Топливо для термоядерных реакций безвредно, в отличие от продуктов распада топлива ядерных реакторов.

Не так давно американские ученые сумели создать рабочую модель термоядерной реакции, в которой энергоотдача в сто раз превышает энергозатраты. Это является хорошей заявкой на дальнейшее успешное «приручение» термоядерной энергетики.

Термоядерные реакции

Урок 54. Физика 9 класс (ФГОС)

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Термоядерные реакции»

Мы уже знаем, что тяжёлые ядра из конца периодической системы элементов «склонны» к распаду — это так называемые реакции деления. В результате таких реакций выделяется большое количество энергии, которую люди научились использовать в своих целях.

Также график зависимости удельной энергии связи от числа частиц в ядре позволяет спрогнозировать ещё один вид энергетически выгодных реакций — реакций синтеза (то есть слияния) лёгких ядер. Например, изотопы наиболее лёгкого элемента водорода — дейтерий и тритий — имеют малую энергию связи. В случае объединения двух таких лёгких ядер образуется атомное ядро с большей энергией связи. Следовательно, такие реакции должны сопровождаться выделением энергии.

Как мы упоминали, частицы в атомном ядре удерживаются ядерными силами, которые действуют только на сверхмалых расстояниях. Что же необходимо, чтобы два ядра смогли объединиться в одно ядро более тяжёлого элемента?

Очевидно, что ядра нужно сблизить на столь малое расстояние, чтобы «в игру вступили» ядерные силы. Но этому сближению будут препятствовать силы электрического отталкивания, действующие между положительно заряженными ядрами. Поэтому для преодоления этих сил, ядра изотопов изначально должны обладать большой кинетической энергией. А большая кинетическая энергия теплового движения ядер означает, что вещество должно обладать высокой температурой.

Реакции слияния лёгких ядер, происходящие при очень высоких температурах (от десятков до сотен миллионов градусов), называются термоядерными.

Простейшим примером термоядерной реакции является преобразование двух ядер дейтерия в ядро гелия.

Если бы этот процесс удалось использовать для производства энергии, то он оказался бы в десять раз эффективнее процесса деления урана.

Возможность использования термоядерных реакций открывает перед человечеством новый путь получения энергии. Одной из самых перспективных в этом отношении является реакция синтеза дейтерия и трития, в результате которой образуется гелий и вылетает свободный нейтрон.

Читайте также  Что такое прогресс

Давайте рассчитаем энергию, выделяющуюся при такой реакции синтеза.

Ещё одним преимуществом данной термоядерной реакции является и то, что по оценкам учёных запасы дейтерия в Мировом океане составляют порядка 80 000 км 3 . Из такого количества дейтерия можно получить столько энергии, сколько выделяется при сгорании бензина, объем которого многократно превышает объем Мирового океана, то есть запасы дейтерия практически неисчерпаемы. А тритий, не встречающийся в природе, легко можно получать в самом термоядерном реакторе, если использовать мощные потоки нейтронов.

Одной из основных проблем, возникающих при попытке осуществить управляемый термоядерный синтез — это удержания высокотемпературной дейтерий-тритиевой смеси. Эта смесь не должна касаться стенок установки, в которой она находится, иначе стенки просто испарятся. Ещё в середине двадцатого века российские учёные Андрей Дмитриевич Сахаров и Игорь Евгеньевич Тамм предложили для удержания термоядерной смеси использовать магнитное поле особой конфигурации. Данная идея в последствии была реализована в установках типа «ТОКОМАК» — тороидальная камера с магнитными катушками. В этих установках с помощью магнитных полей и удерживается плазма из дейтерий-тритиевой смеси. А поскольку плазма — это почти полностью ионизированный газ, то она подвержена влиянию магнитных полей: плазма скручивается в шнур, не касается стенок камеры и, как следствие, не приносит ей никакого вреда.

В естественных условиях термоядерные реакции синтеза происходят в недрах звёзд и являются основным источником их энергии. Поэтому термоядерные реакции играют очень важную роль в эволюции Вселенной, в частности в преобразованиях химических веществ в ней. Так, например, на стадии зарождения звезды из газового водородного облака силы всемирного тяготения сжимают водород до такой степени, что в центре образовавшейся звезды температура возрастает до десятков миллионов градусов. В результате внутри звезды начинают протекать термоядерные реакции, и она в течение миллиардов лет светит, излучая энергию. А в недрах звезды «выпекаются» более тяжёлые химические элементы.

Вы наверняка знаете, что наша звезда излучает свет и тепло уже более 4,5 миллиардов лет. Конечно же долгое время учёные не могли найти ответ на главный вопрос о том, что является «топливом», за счёт которого Солнце вырабатывает столь огромное количество энергии в течении такого длительного промежутка времени.

Например, одни считали, что эта энергия выделяется в результате обычной химической реакции горения. Правда в этом случае Солнце должно было бы сгореть через несколько тысяч лет, после начала горения. Другие считали, что увеличение внутренней энергии и как следствие увеличение температуры Солнца, происходит из-за его гравитационного сжатия. При такой гипотезе срок «службы» Солнца увеличивался до нескольких миллионов лет, но никак не до миллиардов.

И лишь в 1938 году американским астрофизиком Хансом Альбрехтом Бете было высказано предположение о том, что энергию Солнце получает за счёт термоядерных реакций, происходящих в его недрах. Им же был открыт водородный (или протон-протонный) цикл — цепочка из трёх термоядерных реакций, приводящая к образованию гелия из водорода.

Обратите внимание на то, что для образования двух ядер гелия-3, необходимые для третьей реакции, первые две должны произойти дважды.

Что бы представить, какое огромное количество энергии Солнце теряет в результате превращения водорода в гелий, достаточно знать, что ежесекундно масса нашего светила уменьшается на несколько миллионов тонн! И несмотря на это, по оценкам многих специалистов, запасов «топлива» на Солнце хватит ещё где-то на 5—6 миллиардов лет.

В заключении урока отметим, что на Земле первые термоядерные реакции были осуществлены в виде неуправляемого термоядерного взрыва. Первое в мире испытание термоядерного взрывного устройства было произведено в США 1 ноября 1952 года. А уже 12 августа 1953 года в СССР была взорвана первая в мире водородная бомба на полигоне в Семипалатинске — советская «РДС-6с». Температурные условия, необходимые для осуществления термоядерной реакции, были достигнуты путём взрыва ядерного заряда.

В 2005 году общественности был представлен международный проект экспериментального термоядерного реактор ИТЭР для осуществления управляемой термоядерной реакции.

Его планируется возвести в исследовательском центре Кадараш на юге Франции. Стройку изначально планировалось закончить в 2016 году, однако, по мере строительства, срок начала экспериментов сдвинулся к 2025 году.

Все, что нужно знать о термоядерном синтезе

​Ученые Принстонской лаборатории физики плазмы предложили идею самого долговечного устройства для ядерного синтеза, которое сможет работать более 60 лет. В данный момент это трудноосуществимая задача: ученые бьются над тем, чтобы заставить термоядерный реактор проработать в течение нескольких минут — а тут годы. Несмотря на сложность, строительство термоядерного реактора — одна из самых перспективных задач науки, которая может принести огромную пользу. Рассказываем, что нужно знать о термоядерном синтезе.

Не пугайтесь этого громоздкого словосочетания, на деле все довольно просто. Термоядерный синтез — это разновидность ядерной реакции.

В ходе ядерной реакции ядро атома взаимодействует либо с элементарной частицей, либо с ядром другого атома, за счет чего состав и строение ядра изменяются. Тяжелое атомное ядро может распасться на два-три более легких — это реакция деления. Существует также реакция синтеза: это когда два легких атомных ядра сливаются в одно тяжелое.

В отличие от ядерного деления, которое может проходить как самопроизвольно, так и вынужденно, ядерный синтез невозможен без подвода внешней энергии. Как известно, притягиваются противоположности, но вот атомные ядра заряжены положительно — поэтому они отталкиваются друг от друга. Эта ситуация называется кулоновским барьером. Чтобы преодолеть отталкивание, необходимо разогнать эти частицы до сумасшедших скоростей. Это можно осуществить при очень высокой температуре — порядка нескольких миллионов кельвинов. Именно такие реакции и называются термоядерными.

В ходе ядерных и термоядерных реакций выделяется огромное количество энергии, которую можно использовать в различных целях — можно создать мощнейшее оружие, а можно преобразовать ядерную энергию в электричество и снабдить им весь мир. Энергия распада ядра давно используется на атомных электростанциях. Но термоядерная энергетика выглядит перспективнее. При термоядерной реакции на каждый нуклон (так называются составляющие ядра, протоны и нейтроны) выделяется намного больше энергии, чем при ядерной реакции. К примеру, при делении ядра урана на один нуклон приходится 0,9 МэВ (мегаэлектронвольт), а при синтезе ядра гелия из ядер водорода выделяется энергия, равная 6 МэВ. Поэтому ученые учатся проводить термоядерные реакции.

Исследования термоядерного синтеза и строительство реакторов позволяют расширить высокотехнологичное производство, которое полезно и в других сферах науки и хай-тека.

Термоядерные реакции делят на самоподдерживающиеся, неуправляемые (используются в водородных бомбах) и управляемые (подходят для мирных целей).

Самоподдерживающиеся реакции проходят в недрах звезд. Однако на Земле нет условий для проведения таких реакций.

Неуправляемый, или взрывной термоядерный синтез люди проводят давно. В 1952 году в ходе операции «Иви Майк» американцы взорвали первое в мире термоядерное взрывное устройство, которое не имело практической ценности в качестве оружия. А в октябре 1961 года прошли испытания первой в мире термоядерной (водородной) бомбы («Царь-бомба», «Кузькина мать»), разработанной советскими учеными под руководством Игоря Курчатова. Это было самое мощное взрывное устройство за всю историю человечества: полная энергия взрыва, по разным данным, составляла от 57 до 58,6 мегатонн в тротиловом эквиваленте. Чтобы взорвать водородную бомбу, необходимо сначала в ходе обычного ядерного взрыва получить высокую температуру — лишь тогда атомные ядра начнут реагировать.

Мощность взрыва при неуправляемой ядерной реакции очень велика, кроме того, высока доля радиоактивного загрязнения. Поэтому чтобы использовать термоядерную энергию в мирных целях, необходимо научиться ею управлять.

Непонятно? Сейчас поясним.

Во-первых, атомные ядра. В ядерной энергетике используются изотопы — атомы, отличающиеся друг от друга количеством нейтронов и, соответственно, атомной массой. Изотоп водорода дейтерий (D) добывают из воды. Сверхтяжелый водород или тритий (Т) — радиоактивный изотоп водорода, который является побочным продуктом реакций распада, проводимых на обычных ядерных реакторах. Также в термоядерных реакциях используется легкий изотоп водорода — протий: это единственный стабильный элемент, не имеющий нейтронов в ядре. Гелий-3 содержится на Земле в ничтожно малых количествах, зато его очень много в лунном грунте (реголите): в 80-х гг НАСА разрабатывало план гипотетических установок по переработке реголита и выделению ценного изотопа. Зато на нашей планете широко распространен другой изотоп — бор-11. 80% бора на Земле — это необходимый ядерщикам изотоп.

Во-вторых, очень высокая температура. Вещество, участвующее в термоядерной реакции, должно представлять собой практически полностью ионизированную плазму — это газ, в котором отдельно плавают свободные электроны и ионы различных зарядов. Чтобы превратить вещество в плазму, необходима температура 10 7 –10 8 К — это сотни миллионов градусов Цельсия! Такие сверхвысокие температуры можно получить путем создания в плазме электрических разрядов большой мощности.

Однако просто нагреть необходимые химические элементы нельзя. Любой реактор моментально испарится при таких температурах. Здесь требуется совершенно иной подход. На сегодняшний день удается удерживать плазму на ограниченной территории с помощью сверхмощных электрических магнитов. Но полноценно использовать получаемую в результате термоядерной реакции энергию пока не удается: даже под воздействием магнитного поля плазма растекается в пространстве.

В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий (2H) и тритий (3H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (3He) и бор-11 (11B).

Вот как выглядят самые интересные реакции.

1) 2 D+ 3 T -> 4 He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV) — реакция дейтерий-тритий.

2) 2 D+ 2 D -> 3 T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) 50%

2 D+ 2 D -> 3 He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) 50% — это так называемое монотопливо из дейтерия.

Реакции 1 и 2 чреваты нейтронным радиоактивным загрязнением. Поэтому наиболее перспективны «безнейтронные» реакции.

3) 2 D+ 3 He -> 4 He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV) — дейтерий реагирует с гелием-3. Проблема в том, что гелий-3 чрезвычайно редок. Однако безнейтронный выход делает эту реакцию перспективной.

4) p+ 11 B -> 3 4 He + 8.7 MeV — бор-11 реагирует с протием, в результате получаются альфа-частицы, которые можно поглотить алюминиевой фольгой.

Естественным термоядерным реактором является звезда. В ней плазма удерживается под действием гравитации, а излучение поглощается — таким образом, ядро не остывает.

На Земле же термоядерные реакции можно провести лишь в специальных установках.

Читайте также  Что такое инновация

Импульсные системы. В таких системах дейтерий и тритий облучают сверхмощными лазерными лучи или пучками электронов/ионов. Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов. Однако такие системы невыгодно использовать в промышленных масштабах: на разгон атомов тратится намного больше энергии, чем получается в результате синтеза, так как не все разгоняемые атомы вступают в реакцию. Поэтому многие страны строят квазистационарные системы.

Квазистационарные системы. В таких реакторах плазма удерживается с помощью магнитного поля при низком давлении и высокой температуре. Существует три типа реакторов, основанных на различных конфигурациях магнитного поля. Это токамаки, стеллараторы (торсатроны) и зеркальные ловушки.

Токамак расшифровывается как «тороидальная камера с магнитными катушками». Это камера в виде «бублика» (тора), на которую намотаны катушки. Главной особенностью токамака является использование переменного электрического тока, который протекает через плазму, нагревает ее и, создавая вокруг себя магнитное поле, удерживает ее.

В стеллараторе (торсатроне) магнитное поле полностью удерживается с помощью магнитных катушек и, в отличие от токамака, может работать постоянно.

В зеркальных (открытых) ловушках используется принцип отражения. Камера с двух сторон закрыта магнитными «пробками», которые отражают плазму, удерживая ее в реакторе.

Долгое время зеркальные ловушки и токамаки боролись за первенство. Изначально концепция ловушки казалась более простой и потому более дешевой. В начале 60-х годов открытые ловушки обильно финансировались, однако нестабильность плазмы и неудачные попытки удержать ее магнитным полем заставляли усложнять эти установки — простые на вид конструкции превратились в адские машины, и добиться стабильного результата не выходило. Поэтому в 80-х годах на первый план вышли токамаки. В 1984 году был запущен европейский токамак JET, стоимость которого составила всего 180 млн долларов и параметры которого позволяли провести термоядерную реакцию. В СССР и Франции проектировали сверхпроводящие токамаки, которые почти не тратили энергию на работу магнитной системы.

Многие страны строят свои термоядерные реакторы. Свои экспериментальные реакторы есть в Казахстане, Китае, США и Японии. Курчатовский институт работает над реактором IGNITOR. Германия запустила термоядерный реактор-стелларатор Wendelstein 7-X.

Наиболее известен международный проект токамака ИТЭР (ITER, Международный экспериментальный термоядерный реактор) в исследовательском центре Кадараш (Франция). Его строительство предполагалось закончить в 2016 году, однако размеры необходимого финансового обеспечения выросли, а сроки экспериментов сдвинулись на 2025 год. В деятельности ИТЭР участвует Евросоюз, США, Китай, Индия, Япония, Южная Корея и Россия . Основную долю в финансировании играет ЕС (45%), остальные участники поставляют высокотехнологичное оборудование. В частности, Россия производит сверхпроводниковые материалы и кабели, радиолампы для нагрева плазмы (гиротроны) и предохранители для сверхпроводящих катушек, а также компоненты для сложнейшей детали реактора — первой стенки, которая должна выдержать электромагнитные силы, нейтронное излучение и излучение плазмы.

Современные установки токамак — не термоядерные реакторы, а исследовательские установки, в которых возможно лишь на некоторое время существование и сохранение плазмы. Дело в том, что ученые пока не научились удерживать плазму в реакторе на длительный срок.

На данный момент одним из самых больших достижений в области ядерного синтеза считается успех немецких ученых, которым удалось нагреть водородный газ до 80 миллионов градусов по Цельсию и поддерживать облако плазмы водорода в течение четверти секунды. А в Китае водородную плазму нагрели до 49.999 миллионов градусов и продержали ее 102 секунды. Российским ученым из ИЯФ (Институт ядерной физики имени Г. И. Будкера, Новосибирск) удалось добиться стабильного нагрева плазмы до десяти миллионов градусов Цельсия. Однако недавно американцы предложили способ удержания плазмы в течение 60 лет — и это внушает оптимизм.

Кроме того, ведутся споры относительно рентабельности термоядерного синтеза в промышленности. Неизвестно, покроют ли выгоды от производства электроэнергии затраты на термоядерный синтез. Предлагается экспериментировать с реакциями (например, отказаться от традиционной реакции дейтерий-тритий или монотоплива в пользу других реакций), конструкционными материалами — а то и отказаться от идеи промышленного термоядерного синтеза, используя лишь его для отдельных реакций в реакциях деления. Однако ученые все равно продолжают эксперименты.

Относительно. Тритий, который используется в термоядерных реакциях, радиоактивен. Кроме того, нейроны, выделяющиеся в результате синтеза, облучают конструкцию реактора. Сами элементы реактора покрываются радиоактивной пылью из-за воздействия плазмы.

Тем не менее, термоядерный реактор намного безопасней ядерного реактора в радиационном отношении. Радиоактивных веществ в реакторе относительно мало. Кроме того, сама конструкция реактора предполагает отсутствие «дыр», через которые может просочиться радиация. Вакуумная камера реактора должна быть герметичной, иначе реактор просто не сможет работать. При строительстве термоядерных реакторов применяются испытанные ядерной энергетикой материалы, а в помещениях поддерживается пониженное давление.

Учебники

Разделы физики

Журнал «Квант»

Лауреаты премий по физике

Общие

Термоядерный синтез

Содержание

Термоядерная реакция

Термоядерная реакция — это реакция синтеза легких ядер в более тяжелые.

Для ее осуществления необходимо, чтобы исходные нуклоны или легкие ядра сблизились до расстояний, равных или меньших радиуса сферы действия ядерных сил притяжения (т.е. до расстояний 10 -15 м). Такому взаимному сближению ядер препятствуют кулоновские силы отталкивания, действующие между положительно заряженными ядрами. Для возникновения реакции синтеза необходимо нагреть вещество большой плотности до сверхвысоких температур (порядка сотен миллионов Кельвин), чтобы кинетическая энергия теплового движения ядер оказалась достаточной для преодоления кулоновских сил отталкивания. При таких температурах вещество существует в виде плазмы. Поскольку синтез может происходить только при очень высоких температурах, ядерные реакции синтеза и получили название термоядерных реакций (от греч. therme «тепло, жар»).

В термоядерных реакциях выделяется огромная энергия. Например, в реакции синтеза дейтерия с образованием гелия

^2_1D + ^2_1D to ^3_2He + ^1_0n)

выделяется 3,2 МэВ энергии. В реакции синтеза дейтерия с образованием трития

^2_1D + ^2_1D to ^3_1T + ^1_1p)

выделяется 4,0 МэВ энергии, а в реакции

^2_1D + ^3_1T to ^4_2He + ^1_0n)

выделяется 17,6 МэВ энергии.

В настоящее время контролируемая термоядерная реакция осуществляется путем синтеза дейтерия (

^3H). Запасов дейтерия должно хватить на миллионы лет, а запасы легко добываемого лития (для получения трития) вполне достаточны для обеспечения потребностей в течение сотен лет.

Однако при этой реакции большая часть (более 80 %) выделяемой кинетической энергии приходится именно на нейтрон. В результате столкновений осколков с другими атомами эта энергия преобразуется в тепловую. Помимо этого, быстрые нейтроны создают значительное количество радиоактивных отходов.

Поэтому наиболее перспективны «безнейтронные» реакции, например, дейтерий + гелий-3.

D + ^3He to ^4He + p)

У этой реакции отсутствует нейтронный выход, который уносит значительную часть мощности и порождает наведенную радиоактивность в конструкции реактора. Кроме того, запасы гелия-3 на Земле составляют от 500 кг до 1 тонны, однако на Луне он находится в значительном количестве: до 10 млн тонн (по минимальным оценкам — 500 тысяч тонн). В то же время его можно легко получать и на Земле из широко распространённого в природе лития-6 на существующих ядерных реакторах деления.

Термоядерное оружие

На Земле первая термоядерная реакция была осуществлена при взрыве водородной бомбы 12 августа 1953 года на Семипалатинском полигоне. «Ее отцом» стал академик Андрей Дмитриевич Сахаров, трижды удостоенный звания Героя Социалистического Труда за разработку термоядерного оружия. Высокую температуру, необходимую для начала термоядерной реакции, в водородной бомбе получали в результате взрыва входящей в ее состав атомной бомбы, играющей роль детонатора. Термоядерные реакции, происходящие при взрывах водородных бомб, являются неуправляемыми.

См. также

  1. Термоядерная бомба
  2. Термоядерное оружие

Управляемые термоядерные реакции

Если бы в земных условиях была возможность осуществлять легко управляемые термоядерные реакции, человечество получило бы практически неисчерпаемый источник энергии, так как запасы водорода на Земле огромны. Однако на пути осуществления энергетически выгодных управляемых термоядерных реакций стоят большие технические трудности. Прежде всего необходимо создавать температуры порядка 10 8 К. Такие сверхвысокие температуры могут быть получены путем создания в плазме электрических разрядов большой мощности.

Токамак

Этот метод используют в установках типа «Токамак» (ТОриодальная КАмера с МАгнитными Катушками), впервые созданных в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова. В таких установках плазму создают в тороидальной камере, являющейся вторичной обмоткой мощного импульсного трансформатора. Его первичная обмотка подключена к батарее конденсаторов очень большой емкости. Камеру заполняют дейтерием. При разряде батареи конденсаторов через первичную обмотку в тороидальной камере возбуждается вихревое электрическое поле, вызывающее ионизацию дейтерия и появление в нем мощного импульса электрического тока, что приводит к сильному нагреванию газа и образованию высокотемпературной плазмы, в которой может возникнуть термоядерная реакция.

Главная трудность заключается в том, чтобы удержать плазму внутри камеры в течение 0,1-1 с без ее контакта со стенками камеры, поскольку не существует материалов, способных выдерживать столь высокие температуры. Эту трудность удается частично преодолеть с помощью тороидального магнитного поля, в котором находится камера. Под действием магнитных сил плазма скручивается в шнур и как бы «висит» на линиях индукции магнитного поля, не касаясь стенок камеры.

Началом современной эпохи в изучении возможностей термоядерного синтеза следует считать 1969 год, когда на российской установке Токамак Т3 в плазме объемом около 1 м 3 была достигнута температура 3 M°C. После этого ученые во всем мире признали конструкцию токамака наиболее перспективной для магнитного удержания плазмы. Уже через несколько лет было принято смелое решение о создании установки JET (Joint European Torus) со значительно большим объемом плазмы (100 м 3 ). Рабочий цикл установки составляет примерно 1 минуту, так как ее тороидальные катушки изготовлены из меди и быстро нагреваются. Эта установка начала работать в 1983 году и остается пока крупнейшим в мире токамаком, обеспечивающим нагрев плазмы до температуры 150 M°C.

В 2006 представители России, Южной Кореи, Китая, Японии, Индии, Евросоюза и США подписали в Париже соглашение о начале работ по строительству первого Международного термоядерного экспериментального реактора (International Tokamak Experimental Reactor — ITER). Магнитные катушки реактора ITER будут созданы на основе сверхпроводящих материалов (что, в принципе, позволяет работать непрерывно при условии поддержания тока в плазме), так что проектировщики надеются обеспечить гарантированный рабочий цикл длительностью не менее 10 минут.

Реактор будет построен в районе города Кадараш (Cadarache), расположенного в 60 километрах от Марселя на юге Франции. Работы по подготовке стройплощадки начнутся весной будущего года. Возведение самого реактора планируется начать в 2009 году.

Читайте также  Что такое бэкстейдж

Строительство продлится десять лет, работы на реакторе предполагается проводить в течение двадцати лет. Общая стоимость проекта составляет примерно 10 миллиардов долларов. Сорок процентов расходов будет нести Евросоюз, шестьдесят процентов придутся в равных долях на остальных участников проекта.

См. также

  1. Международный экспериментальный термоядерный реактор
  2. Мирный термояд: Энергонадежды человечества
  3. Новая установка для запуска термоядерного синтеза: 25.01.2010

Лазерный термоядерный синтез (УЛС)

Другим путем достижения этой цели является лазерный термоядерный синтез. Сущность такого метода состоит в следующем. Замороженную смесь дейтерия и трития, приготовленную в виде шариков диаметром менее 1 мм, равномерно облучают со всех сторон мощным лазерным излучением. Это приводит к нагреванию и испарению вещества с поверхности шариков. При этом давление внутри шариков возрастает до величин порядка 10 15 Па. Под действием такого давления происходят увеличение плотности и сильное нагревание вещества в центральной части шариков и начинается термоядерная реакция.

В отличие от магнитного удержания плазмы, в лазерном время удержания (т. е. время существования плазмы с высокой плотностью и температурой, определяющее длительность термоядерных реакций) составляет 10 –10 — 10 –11 с, поэтому ЛТС может осуществляться только в импульсном режиме. Предложение использовать лазеры для термоядерного синтеза впервые было высказано в Физическом институте им. П. Н. Лебедева АН СССР в 1961 Н. Г. Басовым и О. Н. Крохиным.

В Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии закончено (май 2009) строительство самого мощного в мире лазерного комплекса. Он получил название «Национальная зажигательная установка» (US National Ignition Facility, NIF). Строительство продолжалось 12 лет. На лазерный комплекс было потрачено 3,5 млрд. долл.

В основе NIF – 192 мощных лазера, которые будут одновременно направляться на миллиметровую сферическую мишень (около 150 микрограммов термоядерного топлива – смесь дейтерия и трития; в дальнейшем радиоактивный тритий можно будет заменить легким изотопом гелия-3). Температура мишени достигнет в результате 100 млн. градусов, при этом давление внутри шарика в 100 млрд. раз превысит давление земной атмосферы.

См. также

  1. Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций
  2. Мощнейший лазерный выстрел 13.02.2010
  3. Под лазерным прицелом 8.06.2009
  4. Управляемый термоядерный синтез: ТОКАМАКИ против лазерного термояда 16.05.2009

Преимущества синтеза

Сторонники использования термоядерных реакторов для производства электроэнергии приводят следующие аргументы в их пользу:

  • практически неисчерпаемые запасы топлива (водород). Например, количество угля, необходимого для обеспечения работы тепловой электростанции мощностью 1 ГВт составляет 10000 тонн в день (десять железнодорожных вагонов), а термоядерная установка такой же мощности будет потреблять в день лишь около 1 килограмма смеси D + T. Озеро среднего размера в состоянии обеспечить любую страну энергией на сотни лет. Это делает невозможным монополизацию горючего одной или группой стран;
  • отсутствие продуктов сгорания;
  • нет необходимости использовать материалы которые могут быть использованы для производства ядерного оружия, таким образом исключается случаи саботажа и терроризма;
  • по сравнению с ядерными реакторами, вырабатывается незначительное количество радиоактивных отходов с коротким периодом полураспада;
  • реакция синтеза не производит атмосферных выбросов углекислоты, что является главным вкладом в глобальное потепление.

Термоядерные реакции

Термоядерные реакции – экзотермические реакции синтеза легких ядер, эффективно протекающие при сверхвысоких температурах (порядка 10 7 – 10 9 К), самопродолжающиеся за счет значительного выделения в них энергии. Высокие температуры в них необходимы для того, чтобы кинетическая энергия теплового движения ядер оказалась достаточной для преодоления кулоновского потенциального барьера ядер, сближения на расстояние порядка действия ядерных сил и последующего возбуждения реакции синтеза, сопровождающегося выделением энергии в виде избыточной кинетической энергии продуктов реакции.

При слиянии легких ядер и образовании нового ядра должно выделяться большое количество энергии. Это видно из кривой зависимости удельной энергии связи от массового числа A (см. 8.1.2). Вплоть до ядер с массовым числом около 60 удельная энергия связи нуклонов растет с увеличением A. Поэтому синтез любого ядра с A -15 м, преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов. Для этого средняя кинетическая энергия теплового движения молекул должна превосходить потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Расчет необходимой для этого температуры T приводит к величине порядка 10 8 – 10 9 К. Это чрезвычайно высокая температура. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии, которое называется плазмой.

Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях, в расчете на один нуклон в несколько раз превышает удельную энергию, выделяющуюся в цепных реакциях деления ядер. В качестве примера рассмотрим некоторые реакции синтеза:

(Q=4 МэВ);

(Q=3.3 МэВ); (8.48.55)

(Q=17.6 МэВ);

(Q=22.4 МэВ),

где – выделившаяся энергия. Так, например, в реакции слияния ядер дейтерия и трития выделяется 3,5 МэВ/нуклон. В целом в этой реакции выделяется 17,6 МэВ. Это одна из наиболее перспективных термоядерных реакций. Термоядерные реакции дают наибольший вклад энергии на единицу массы “горючего”, чем любые другие превращения. Например, количество дейтерия в стакане простой воды энергетически эквивалентно примерно 60 л бензина. Понятен интерес к осуществлению управляемой термоядерной реакции.

Управляемый термоядерный синтез, основой которого являются термоядерные реакции, потенциально представляет собой неистощимый источник энергии, является экологически и экономически перспективным направлением энергетики будущего. Для управляемого термоядерного синтеза наиболее важной представляется реакция слияния ядер дейтерия и трития с образованием ядра гелия и выделением 17,6 МэВ энергии на один акт синтеза. Для инициирования реакции синтеза необходимо нагреть смесь дейтерия и трития до температуры более 100 млн градусов. При этой температуре смесь представляет собой полностью ионизированную плазму, возникает проблема удержания плазмы и эффективной термоизоляции ее от стенок рабочего объема. В 1950 г. академики И.Е.Тамм и А.Д.Сахаров предложили идею удержания и термоизоляции плазмы сильным магнитным полем специальной конфигурации, создаваемым в тороидальной камере магнитными катушками. Эта идея была положена в основу конструкции термоядерных установок, получивших название токамаков (сокращение от «тороидальная камера с магнитными катушками»).

Первые экспериментальные исследования этих систем в СССР начались в 1956 г. под руководством акад. Л.А.Арцимовича. Началом современной эпохи в изучении термоядерного синтеза следует считать 1969 г., когда на российской термоядерной установке «Токамак-3» в плазме объемом 1 м 3 была достигнута температура 3 млн К. В 1975 г. в Институте атомной энергии была запущена крупнейшая в мире термоядерная установка «Токамак-10», в которой была получена плазма с температурой 7-8 млн К. в объеме 5 м 3 . В настящее время на существующих установках типа токамак достигнуты температуры порядка 150 млн К (европейская установка JET – Joint Europpean Torus). С 1988 г. СССР (с 1992 г. – Россия), США, странами Европы и Японией совместно разрабатывается проект Международного термоядерного экспериментального реактора — токамака ITER, который должен стать первой крупномасштабной энергетической установкой, рассчитанной на длительную эксплуатацию. Мощность реактора должна составлять не менее 500 МВт. Запуск реактора планируется осуществить в 2018 г., а получение водородно-дейтериевой плазмы – в 2026 г.

Термоядерные реакции играют чрезвычайно важную роль в эволюции Вселенной. Во-первых, энергия излучения Солнца и звезд имеет термоядерное происхождение. Во-вторых, термоядерные реакции являются одним из основных механизмов нуклеосинтеза.

Для нормальных гомогенных звезд, в том числе Солнца, ядерный синтез осуществляется по так называемому протон-протонному, или водородному циклу. Водородный цикл (протон-протонная цепочка) – последовательность термоядерных реакций в звездах, приводящая к превращению водорода в гелий без участия катализатора; основной источник энергии звезд с массой М + + 2 + 26,73 МэВ.

Разумеется, такое превращение происходит не сразу, а в несколько этапов. Наиболее важными реакциями водородного цикла являются следующие:

Конечным результатом этой последовательности реакций (протон-протонного или водородного цикла) является превращение четырех ядер водорода в ядро атома гелия. Полная энергия, выделяющаяся при такой реакции, равна 26,73 МэВ. Нейтрино, образующиеся при этой реакции, слабо взаимодействуют с веществом и покидают звезду, унося свою энергию – примерно 0,5 МэВ (так называемые солнечные нейтрино). Эта реакция может идти при температурах порядка 13 млн К. По этой схеме происходит примерно 70% всех реакций водородного цикла на Солнце. В 30% случаев может соединиться с и тогда реакции пойдут по следующей схеме:

На Солнце водородный цикл эффективнее углеродно-азотного и обеспечивает 98,4% энерговыделения.

Если в звезде имеется некоторое количество углерода, то может осуществиться углеродно-азотный цикл – серия термоядерных реакций, приводящая к синтезу гелия из водорода с участием азота и углерода в качестве катализаторов. Углеродно-азотный цикл открыт независимо друг от друга Г.Бете и немецким физиком и астрофизиком К. фон Вейцзеккером. Этот цикл состоит из шести реакций:

Конечным результатом этой цепочки является превращение четырех протонов в одно ядро гелия с выделением 26,73 МэВ энергии, при этом 1,7 МэВ уносится с нейтрино. Так как в этой последовательности реакций участвуют ядра углерода и азота, то ее и называют углеродно-азотным циклом. Углеродно-азотный цикл является основным источником энергии звезд, масса которых более 1,2 массы Солнца. В центре этих звезд температура около 20 млн. К, и углеродно-азотный цикл оказывается эффективнее водородного. Углеродно-азотный цикл протекает и на Солнце, но он обеспечивает только около 1,6% энерговыделения. В недрах Солнца каждую секунду сгорает 3,6∙10 38 протонов, т.е. около 630 млн. т водорода превращаются в гелий. При этом мощность излучения Солнца составляет 3,86∙10 26 Вт.

Контрольные вопросы для самоподготовки студентов:

1. Какие вы знаете виды радиоактивности?

2. Закон радиоактивного распада. Правила смещения.

3. Закономерности -распада.

4. Что такое нейтрино? При каком распаде оно испускается?

5. Какие явления сопровождают прохождение — излучения через вещество и в чем их суть?

6. Типы ядерных реакций.

7. Под действием каких частиц ядерные реакции более эффективны?

8. Что представляет собой реакция деления ядер?

9. Почему деление тяжелых ядер и синтез атомных ядер сопровождается выделением большого количества энергии?

10. По каким признакам можно классифицировать ядерные реакторы?

1. Трофимова, Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. – М.: ACADEMIA, 2008.

2. Савельев, И.В. Курс общей физики: учеб. пособие для втузов: в 3-х томах / И.В.Савельев. – СПб.: Спец. лит., 2005.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: