Термоядерный синтез

 

Министерство образования  Нижегородской области

Государственное образовательное  учреждение

Нижегородский государственный  инженерно-экономический институт

(ГОУ ВПО НГИЭИ)

 

 

Кафедра: физико-математических наук

 

 

Реферат

По дисциплине: «Концепция современного естествознания».

Тема: «Термоядерный синтез».

 

 

 

 

Выполнила студентка

экономического факультета

1 курса, группа 09 БО

Созыкина А.А.

Проверила:

Смыслова А.      

 

 

г. Княгинино

2010г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

По современным физическим представлением, существует всего несколько фундаментальных источников энергии, которые, в принципе, могут быть освоены и использованы человечеством. Ядерные реакции синтеза - это один из таких источников энергии. В реакциях синтеза энергия производится за счет работы ядерных сил, совершаемых при слиянии ядер легких элементов и образовании более тяжелых ядер. Эти реакции широко распространены в природе - считается, что энергия звезд и, в том числе, Солнца производится в результате цепочки ядерных реакций синтеза, превращающих четыре ядра атома водорода в ядро гелия. Можно сказать, что Солнце - это большой естественный термоядерный реактор, снабжающий энергией экологическую систему Земли.

В настоящее время, более 85% энергии  производимой человеком получается при сжигании органических топлив - угля, нефти и природного газа. Этот дешевый источник энергии, освоенный  человеком около 200 - 300 лет назад, привел к быстрому развитию человеческого  общества, его благосостоянию и, как  результат, к росту народонаселения  Земли. Предполагается, что из-за роста  народонаселения и более равномерного потребления энергии по регионам, производство энергии возрастет  к 2050 г примерно в три раза по сравнению  с нынешним уровнем и достигнет 10²¹ Дж в год. Не вызывает сомнения, что в обозримом будущем прежний источник энергии - органические топлива - придется заменить на другие виды производства энергии.

Переход от органических топлив к  широкомасштабной альтернативной энергетике ожидается в середине 21 века. Основной и единственный кандидат для базовой  энергетики - это ядерная энергия. В настоящее время, для получения  энергии освоены лишь ядерные  реакции деления, которые используются на современных атомных электростанциях. Управляемый термоядерные синтез, пока, лишь потенциальный кандидат для базовой энергетики. Процесс термоядерного синтеза в значительной степени свободен от недостатков, присущих процессу деления. Основное и принципиальное отличие: в реакции синтеза не образуется долгоживущих радиоактивных изотопов, топливом для нее служат тяжелые изотопы водорода – тритий и дейтерия, запасов которого на Земле хватит, чтобы обеспечивать человечество энергией около миллиарда лет.  Этот выработавший ресурс нужно будет законсервировать всего на 30 лет, после чего материалы могут быть переработаны и использованы в новом реакторе синтеза. Эта ситуация принципиально отличается от реакторов деления, которые производят радиоактивные расходы, требующие переработки и хранения в течение десятков тысяч лет.

В итоге, получив управляемую реакцию синтеза, можно практически полностью обеспечит себя энергией. Поэтому поиски альтернативных источников энергии идут особенно интенсивно. Продолжающиеся исследования в области управляемого термоядерного синтеза, судя по всему, перешли в стадию технически реализуемых изделий. Если верить мировым научным авторитетам, таким как академик Сагдеев Роальд Зиннурович, в ближайшие 50 лет на Земле должны появиться первые термоядерные электростанции, которые решат проблему безопасного и практически неисчерпаемого источника энергии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Открытие термоядерного реактора.

  Идея создания термоядерного реактора зародилась в 1950-х годах. Тогда от нее было решено отказаться, поскольку ученые были не в состоянии решить множество технических проблем. Прошло несколько десятилетий прежде, чем удалось «заставить» реактор произвести хоть сколько-нибудь термоядерной энергии.

Решение о проектировании Международного термоядерного реактора (ИТЭР) было принято в Женеве в 1985 году. В проекте участвовали СССР, Япония, США, объединенная Европа и Канада. После 1991 года к участникам присоединился Казахстан. За 10 лет многие элементы будущего реактора удалось изготовить на военно-промышленных предприятиях развитых стран. Например, в Японии разработали уникальную систему роботов, способных работать внутри реактора. В России создали виртуальный вариант установки.

В 1998 году США по политическим мотивам  прекратили финансирование своего участия  в проекте. После того, как к  власти в стране пришли республиканцы, а в Калифорнии начались веерные  отключения электроэнергии, администрация Буша объявила об увеличении вложений в энергетику. Участвовать в международном проекте США не намеревались и занимались собственным термоядерным проектом. 

Проект по числу участников сравним  с другим крупнейшим международным  научным проектом – Международной  космической станции. Стоимость  ИТЭР, прежде достигавшая 8 миллиардов долларов, потом составила менее 4 миллиардов.

В 60-е годы прошлого века французским физиком Луисом Кервраном (Louis Kervran) было предсказана возможность термоядерного синтеза – слияния двух ядер легких изотопов, происходящее при комнатной температуре и сопровождающееся выделением огромного количества энергии. Термоядерный синтез идет в недрах звезд, так как для того, чтобы запустить эту реакцию, необходимы очень высокие температура и давление. Существует мнение, что Нобелевский лауреат просто пошутил, говоря о возможности обойти эти требования, однако многие ученые всерьез загорелись идеей найти способ осуществить реакцию термоядерного синтеза "на столе".

2.Термоядерный синтез

Термоядерная реакция — разновидность ядерной реакции, при которой легкие атомные ядра объединяются в более тяжелые. Для того чтобы произошла реакция синтеза, исходные ядра должны преодолеть силу электростатического отталкивания, для этого они должны иметь большую кинетическую энергию. Если предположить, что кинетическая энергия ядер определяется их тепловым движением, то можно сказать, что для реакции синтеза нужна большая температура. Поэтому реакция названа «термоядерной». Этот термин может использоваться даже в тех случаях, когда реакция ядерного синтеза происходит при низкой температуре, например в том случае, когда кинетическая энергия ядер связана с их направленным движением, а не тепловым.

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.

Если перевести 0,1 МэВ  в температуру, то получится примерно 1 ГК. 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. Этот же факт туннелирования используется в мюонном катализе реакций ядерного синтеза.

Термоядерное оружие, имея те же поражающие факторы что и у ядерного оружия, имеет намного большую мощность взрыва. Теоретически она ограничена только количеством имеющихся в наличии компонентов. Создание термоядерного оружия стало возможным только благодаря разновидности гидрида лития — дейтериду лития-6. Это соединение тяжёлого изотопа водорода — дейтерия и изотопа лития с массовым числом 6. Дейтерид лития-6 — твёрдое вещество, которое позволяет хранить дейтерий (обычное состояние которого в нормальных условиях — газ) при плюсовых температурах, и, кроме того, второй его компонент — литий-6 — это сырьё для получения самого дефицитного изотопа водорода — трития. Собственно, — единственный промышленный источник получения трития:

.

Для того, чтобы создать необходимые для начала термоядерной реакции нейтроны и температуру (порядка 50 млн. градусов), в водородной бомбе сначала взрывается небольшая по мощности атомная бомба.

Управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который носит управляемый характер в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерном оружии).

Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной  энергетики тем, что в последней  используется реакция распада, в  ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. Основные ядерные  реакции, которые используются в  целях осуществления управляемого термоядерного синтеза:

  и   .

УТС возможен при выполнении двух критериев:

• Температура плазмы:

• Соблюдение критерия Лоусона: ,

где - плотность высокотемпературной плазмы, - время удержания плазмы в системе.

В настоящее время управляемый  термоядерный синтез ещё не осуществлён  в промышленных масштабах. Однако, строительство международного исследовательского реактора ITER уже находится в начальной стадии.

Рассматриваются две принципиальные схемы осуществления управляемого термоядерного синтеза.

1. Квазистационарные системы. Нагрев и удержание плазмы осуществляется магнитным полем при относительно низком давлении и высокой температуре. Для этого применяются реакторы в виде токамаков, стеллараторов, зеркальных ловушек и торсатронов, которые отличаются конфигурацией магнитого поля. Реактор ИТЭР имеет конфигурацию токамака.

2. Импульсные системы.  В таких системах УТС осуществляется  путем кратковременного нагрева  небольших мишеней, содержащих  дейтерий и тритий, сверхмощными  лазерными или ионнными импульсами. Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов.

Исследования первого  вида термоядерных реакторов существенно  более развиты, чем второго.

Теперь более подробно рассмотрим неуправляемый и управляемый  ядерный синтез .неуправляемый

3.Неуправляемый термоядерный синтез.

Неуправляемый термоядерный синтез представляется в виде термоядерных оружий, бомб. Одной из таких бомб стала водородная.

В ноябре 1952 г. США первыми  в мире произвели термоядерный взрыв. Его мощность превысила 10 Мт, а поток  нейтронов был настолько велик, что американским физикам, изучавшим  продукты взрыва, удалось даже открыть  два новых трансурановых элемента, названных эйнштейнием и фермием.

12 августа 1953 г. в СССР  по схеме, предложенной Л. Д.  Сахаровым и названной у нас  "слойкой", был успешно испытан  первый в мире реальный водородный заряд. В этом заряде в качестве термоядерного горючего был использован, по предложению В. Л. Гинзбурга, литий в виде твердого химического соединения. Это позволило в ходе термоядерной реакции (при взрыве) получить дополнительное количество трития, что заметно повышало мощность заряда.

Испытанный в СССР термоядерный заряд был готов к применению в качестве транспортабельной бомбы, то есть представлял собой первый реальный образец водородного оружия. Он имел несколько больший вес  и те же габариты, что и первая советская атомная бомба, испытанная в 1949 г., но в 20 раз превышал её по мощности (мощность взрыва 12 августа 1953 г. составила  около 400 кт). Существенно, что вклад  собственно термоядерных реакций в  полную величину мощности приближался  к 15-20%. Состоявшийся эксперимент стал выдающимся приоритетным достижением  наших физиков и особенно А. Д. Сахарова и В. Л. Гинзбурга.

Водородная бомба, оружие большой разрушительной силы, принцип  действия которого основан на реакции  термоядерного синтеза легких ядер. Источником энергии взрыва являются процессы, аналогичные процессам, протекающим  на Солнце и других звездах.

Последовательность процессов, происходящих   при   взрыве   водородной   бомбы,   можно   представить   следующим образом. Сначала взрывается находящийся  внутри оболочки заряд-инициатор термоядерной реакции (небольшая атомная бомба), в результате чего возникает нейтронная вспышка и создается высокая  температура, необходимая для инициации  термоядерного синтеза. Нейтроны бомбардируют вкладыш из дейтерида лития - соединения дейтерия с литием (используется изотоп лития с массовым числом 6). под действием нейтронов расщепляется на гелий и тритий. Таким образом, атомный запал создает необходимые для синтеза материалы непосредственно в самой приведенной в действие бомбе.