Термоядерный синтез проблемы термоядерной энергетики

Термоядерный синтез проблемы термоядерной энергетики

Важной характеристикой ядра служит средняя энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон Есв/А. чем она больше, чем сильнее связаны между собой нуклоны, тем прочнее ядро.

У легких ядер большая доля нуклонов находится на поверхности ядра, где они не полностью используют свои связи и величина Есв/А невелика. Средняя энергия связи в ядре растет с ростом А до А=60. поэтому, когда образуется среднее или легкое ядро при слиянии более легких, должна освобождаться энергия, поскольку в новом ядре нуклоны сильнее связаны чем в исходных ядер.

Особенно велико должно быть выделение энергии при синтезе легких ядер так как величина Есв/А при малых А растет очень быстро.

При образовании ядер легких атомов в результате слияния свободных нуклонов дефект массы всегда будет положительным, то есть будет происходить выделение большого количества энергии.

Первая реакция синтеза ядер атомов 7 3Li+ 1 1H→2 4 2He+E. При этой реакции на каждый нуклон выделяется 2,2 МэВ энергии. При синтезе ядер выделяется энергии в десятки раз больше, чем при делении тяжелых ядер.

Наиболее эффективным в энергетическом отношении оказался синтез ядер дейтерия и трития: 2 1Н+ 3 1Н→ 4 2Не+ 1 n+Е. где Е=19,6МэВ. Эта реакция может стать неисчерпаемым источником энергии, так как запасы дейтерия и трития на Земле практически не исчерпаемы.

Для синтеза легких ядер необходимо сблизить их на расстояние 10 -15 м, а это возможно лишь при условии повышения температуры ядерного вещества до 10 7 — 10 9 К.

Так как ядерные реакции синтеза легких ядер атомов возможны при сверх высоких температурах, то их назвали термоядерными.

Термоядерные реакции – это реакции слияния легких ядер при очень высоких температуре.

Первые термоядерные реакции в земных условиях были осуществлены при взрыве водородных бомб. Необходимая для термоядерной реакции высокая температура была получена при взрыве атомной бомбы.

Принцип действия водородных бомб заключается в следующем. Смесь дейтерия и трития или других легких элементов, ядра которых при соединении дают гелий, помещается в общей оболочке с атомной бомбой. При взрыве атомной бомбы температура повышается до нескольких десятков миллионов градусов и возникает развивающая термоядерная реакция превращения легких ядер в ядра гелия. Таким образом атомная бомба служит как бы для поджигания смеси легких ядер.

В настоящее время ведутся работы по осуществлению управляемой термоядерной реакции:

А) создание сверхвысокой температуру можно создать в плазме мощных электрических разрядов или при встречных пучках лазерных лучей;

Б) удержание плазмы сверхвысокой температуры внутри установки в течение 0,1 — 1с;

В) никакие стенки из вещества не годятся, так как при такой температуре они превращаются в пар. Единственно возможным является метод удержания высокотемпературной плазмы в ограниченном объеме с помощью очень высоких магнитных полей.

Условия для осуществления термоядерных реакций существуют на Солнце и других звездах.

В центре Солнца температура достигает примерно 13млн градусов. При какой температуре атомы полностью ионизированы и вещество представляет собой плазму, содержащую «голые» ядра (без электронной оболочки) и электроны. В недрах Солнца происходит цикл термоядерных реакций, в результате которых ядра водорода превращаются в ядра гелия: 4 1 1Н→ 4 2Не+ 2 1e+26,7Мэв. В этом цикле освобождается энергия, почти равная энергии связи ядра 4 2Не.

Вопросы для самопроверки:

Какие условия необходимы для слияния легких ядер?

Какая реакция называется термоядерной реакцией?

Условия для осуществления термоядерной реакции.

Почему термоядерный синтез происходит на солнце и звездах?

Работа по физике на тему "Проблемы термоядерной энергетики". Здесь подобраны материалы, отвечающие на вопросы, какие возможности открывает для человека термоядерная энергетика и какие проблемы пока не дают возможности осуществить проект термоядерной электростанции.

Скачать:

Вложение Размер
rabota_po_fizike.doc 133.5 КБ

Предварительный просмотр:

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

Креповская средняя общеобразовательная школа

Российский заочный конкурс для учащихся «Инновация. Наука. Техника»

Работа по теме «Проблемы термоядерной энергетики»

Выполнил ученик 7 класса

МБОУ Креповской СОШ

Гололобов Роман,

Учитель физики

Раева Елена Викторовна

1.Термоядерная энергетика 3-5 с.

2.Проблемы, не дающие осуществить проект термоядерной электростанции 5с.

3. Управление термоядерным синтезом 6 с.

4.Принцип работы управляемого термоядерного синтеза 6-7 с.

5.Трудности и перспективы 8 с.

Список литературы 8 с.

1.Термоядерная энергетика

Управляемая термоядерная реакция — заманчивая перспектива для физиков, заветная мечта энергетиков. Овладеть ею — значит одарить человечество неиссякаемым источником энергии. Успешное решение проблемы позволит превращать энергию водорода в практически неограниченное количество электричества и тепла, не загрязняя атмосферу. Работы по термоядерному синтезу впервые в мире начались в СССР в 1950 г. под руководством И. В. Курчатова. За четверть века была фактически создана новая область физики — физика высокотемпературной плазмы.

Если в обычной атомной энергетике применяют реакции деления ядер, при которых ядро делится на части нейтронами с освобождением огромной энергии и образованием новых нейтронов, поддерживающих реакции, то в термоядерной энергетике будет использоваться противоположный процесс — слияние легких ядер вместе с образованием более тяжелых. В качестве топлива здесь выступают ядра изотопов водорода, в первую очередь дейтерия.

Атомный вес водорода — 1. Тот же элемент, но с атомным весом в 2 раза больше, называется тяжелым водородом, или дейтерием. В термоядерной реакции участвуют дейтерий или тритий (водород с атомным весом 3). Где взять дейтерий и тритий? Эта проблема легко разрешима. В морях и океанах содержится огромное количество дейтерия. Тритий получают из другого элемента — лития — в термоядерном реакторе. Запасы его также практически неограниченны.

Читайте также:  Сантехнические дверцы для туалета

При ядерном слиянии 1 кг изотопов водорода выделяется в 10 млн. раз больше энергии, чем при сжигании одного килограмма угля. Реакции синтеза могут происходить только тогда, когда два ядра сближаются на расстоянии порядка 10 -13 см. Чтобы сближение произошло, положительно заряженные частицы должны преодолеть взаимное электростатическое отталкивание, т. е. обладать большой энергией. Чтобы ядра обрели огромную кинетическую энергию и смогли соединиться друг с другом, необходимо нагреть вещество до чрезвычайно высокой температуры.

Термоядерная энергия — основа энергетики будущего, главное направление развития атомной техники на современном этапе.

В термоядерных реакциях происходит выделение энергии в процессе превращения водорода в гелий. Быстро протекающие термоядерные реакции осуществлены в нашей стране, в США и в Англии в водородных бомбах. Сейчас перед наукой и техникой стоит задача осуществления термоядерной реакции не в виде взрыва, а в форме управляемого, спокойно протекающего процесса. Решение этой задачи даст возможность использовать громадные запасы водорода на Земле в качестве ядерного топлива".

Что же происходит, когда разновидности водорода (дейтерий, тритий) на мгновение подвергаются очень сильному нагреву и огромному давлению? Связи между элементарными частицами нарушаются, атомные ядра теряют электронную оболочку, скорости движения частиц сильно повышаются, и ядра все больше преодолевают действующие между ними электрические (кулоновские) силы отталкивания. В этих условиях атомные ядра могут соединяться друг с другом, образуя ядра других химических элементов и высвобождая при этом огромную энергию.

Источником энергии термоядерного синтеза, как и энергии деления ядер, служит внутриядерная энергия. Она выделяется в свободном виде в тех ядерных процессах, которые сопровождаются убылью общей массы участвующих в реакции ядер. Количественной основой этого процесса служит закон эквивалентности энергии и массы: Е=mс 2 . По изменению массы покоя реагирующих ядер он позволяет определить количество выделенной энергии синтеза.

После первоначального разогрева плазма поддерживает и развивает реакцию уже как бы изнутри, за счет энергии, выделяющейся в результате синтеза ядер. В дальнейшем процесс идет самопроизвольно, автоматически, без притока энергии со стороны, подобно тому, как это происходит на Солнце и в звездах.

Наука еще не познала многого в природе явлений, происходящих на Солнце, но нет сомнений в том, что основной причиной выделения энергии Солнцем служат непрерывно протекающие на нем термоядерные процессы. Солнце можно уподобить гигантской термоядерной энергетической установке, безотказно действующей миллиарды лет.

Считается, что в звездах происходит термоядерный синтез двух циклов: углеродно-азотного (цикла Бете) и водородного (протонно-протонного) цикла. Источник энергии, который питает излучение звезд, есть и на Земле. Это внутриядерная энергия. Нужно только научиться ее извлекать. Ученые считают, что эта задача не легче той, которую пришлось решать человеку каменного века, когда перед ним встала проблема получения огня из куска дерева, т. е., говоря современным языком, извлечения из него химической энергии.

К вопросу о том, как нагреть и удержать плазму — сырье термоядерного реактора, — сводится вся задача ближайшего этапа термоядерных исследований. Если тяжелые ядра находятся на грани самопроизвольного деления, то легкие оказывают сильное сопротивление слиянию. Причина в том, что контакт между ними трудно осуществим: ядра имеют положительный заряд, вследствие чего они отталкиваются друг от друга. Поэтому главная задача на пути осуществления термоядерной реакции состоит в том, чтобы преодолеть это сопротивление (кулоновский барьер), с большой скоростью сталкивая ядра между собой.

Для начала реакции плазма должна быть сжата до небольшого объема, однако при этом она не должна вступать в соприкосновение с обычным веществом во избежание мгновенного охлаждения. Казалось, задача была бы невыполнима, если бы не одно свойство плазмы. Оно заключается в том, что плазма состоит из движущихся электрически заряженных частиц и может быть ограничена в пространстве с помощью магнитных полей.

Однако если в центре Солнца огромное давление вышележащих слоев, стянутых силами гравитации, создает очень плотную плазму и не дает ей расширяться, что позволяет реакции протекать при температуре около 20 млн. градусов, то в земных условиях гравитационные силы слишком малы, чтобы сдержать плазму. Единственный выход — сжать плазму магнитными силовыми линиями, причем как можно плотнее. Но поскольку достигнуть такой же плотности частиц, которая существует на Солнце, все же, видимо, не удастся, температуру плазмы придется, по подсчетам теоретиков, поднимать выше солнечной, доводя ее почти до 100 млн. градусов. На пути создания звездного вещества — плазмы, т. е. на пути овладения термоядерным синтезом, стоят многие трудности. Успешное разрешение этой величайшей проблемы, очевидно, во многом будет зависеть от новых открытий в области магнитной гидродинамики, физики плазмы и ядерной физики.

Никогда нельзя точно предсказать, как будет развиваться та или иная отрасль науки. Можно надеяться, что в недалеком будущем люди найдут до сих пор неизвестные способы управления термоядерным синтезом.

2.Проблемы, не дающие возможности осуществить проект термоядерной электростанции

Проблема управляемого термоядерного синтеза — одна из важнейших задач,

стоящих перед человечеством.

Человеческая цивилизация не может существовать, а тем более развиваться без энергии. Все хорошо понимают, что освоенные источники энергии, к сожалению, могут скоро истощиться. По данным Мирового энергетического совета, разведанных запасов углеводородного топлива на Земле осталось на 50-80 лет.

Читайте также:  Что такое тачпад на планшете

Сегодня основными источниками энергии служат нефть, газ и уголь.

По оценкам специалистов, запасы этих ископаемых на исходе. Почти не осталось разведанных, годных к освоению месторождений нефти и уже наши внуки могут столкнуться с очень серьезной проблемой нехватки энергии.

Наиболее обеспеченные топливом атомные электростанции могли бы, конечно, еще не одну сотню лет снабжать человечество электроэнергией.

Однако эксплуатация атомных электростанций, работающих за счет деления ядер урана, приводит к серьезным экологическим проблемам, огромное количество радиоактивных отходов — "долгожителей", остающихся после их работы, и опасность последствий в случае аварии изрядно ограничивают возможность всеобщего перехода на атомную энергетику.

Единственный долгосрочный источник энергии — это ядерная энергия, которая выделяется в процессе деления или синтеза.

Процесс термоядерного синтеза в значительной степени свободен от недостатков, присущих процессу деления. В реакции синтеза не образуется долгоживущих радиоактивных изотопов, топливом для нее служат тяжелые изотопы водорода — дейтерий и тритий. В литре обычной воды содержится примерно 0,03 г дейтерия, но в процессе его реакции выделяется столько же энергии, сколько при сгорании 300 литров бензина! Запасов дейтерия на Земле хватит, чтобы обеспечивать человечество энергией около миллиарда лет. Немаловажно, что производство термоядерного топлива уже сегодня очень недорого: в нынешних условиях цена составила бы 1-2 копейки за киловатт электроэнергии и будет снижаться в дальнейшем.

Суммируя сказанное, можно сделать вывод: кто получит управляемую реакцию синтеза, тот практически полностью обеспечит себя энергией. И можно смело утверждать, что решение этой проблемы окупит все затраты.

Поэтому поиски альтернативных источников энергии идут особенно интенсивно.

Продолжающиеся уже 50 лет исследования в области управляемого термоядерного синтеза, судя по всему, перешли в стадию технически реализуемых изделий. Если верить мировым научным авторитетам, в ближайшие 50 лет на Земле должны появиться первые термоядерные электростанции, которые решат проблему безопасного и практически неисчерпаемого источника энергии.

3.Проблемы управления термоядерным синтезом (УТС)

Исследователи всех развитых стран связывают надежды на преодоление грядущего энергетического кризиса с управляемой термоядерной реакцией. Такая реакция — синтез гелия из дейтерия и трития — миллионы лет протекает на Солнце, а в земных условиях ее вот уже пятьдесят лет пытаются осуществить в гигантских и очень дорогих лазерных установках, токамаках и стеллараторах. Однако, есть и другие пути решения этой непростой задачи, и вместо огромных токамаков для осуществления термоядерного синтеза можно будет, вероятно, использовать довольно компактный и недорогой коллайдер — ускоритель на встречных пучках.

Кроме слияния дейтерия и лития, возможен чисто солнечный термояд, когда

соединяются два атома дейтерия. В случае освоения этой реакции энергетические проблемы будут решены сразу и навсегда.

Отличительной особенностью термояда является почти полная радиационная

безопасность. Специалисты утверждают, что термоядерная электростанция с

тепловой мощностью 1 ГВт в плане радиационной опасности эквивалентна

урановому реактору деления мощностью 1 КВт — типичный университетский

исследовательский реактор. Это обстоятельство во многом является решающим фактором, вызывающим пристальное внимание правительств ведущих стран к термоядерной энергетике при тесном международном сотрудничестве в этой области. Создана специальная международная программа, призванная в ближайшем будущем избавить человечество от надвигающегося энергетического кризиса.

4.Принцип работы управляемого термоядерного синтеза (УТС)

Управляемый термоядерный синтез, процесс слияния лёгких атомных ядер,

происходящий с выделением энергии при высоких температурах в регулируемых, управляемых условиях. Скорости протекания термоядерных реакций малы из-за кулоновского отталкивания положительно заряженных ядер. Поэтому процесс синтеза идёт с заметной интенсивностью только между лёгкими ядрами, обладающими малым положительным зарядом и только при высоких температурах, когда кинетическая энергия сталкивающихся ядер оказывается достаточной для преодоления кулоновского потенциального барьера.

С несравненно большей скоростью идут реакции между тяжёлыми

изотопами водорода (дейтерием 2H и тритием 3H) с образованием сильно

связанных ядер гелия:

Именно названные реакции представляют наибольший интерес для проблемы УТС. В особенности привлекательна вторая реакция, сопровождающаяся большим энерговыделением и протекающая со значительной скоростью. Тритий радиоактивен (период полураспада 12,5 лет) и не встречается в природе. Следовательно, для обеспечения работы предполагаемого термоядерного реактора, использующего в

качестве ядерного горючего тритий, должна быть предусмотрена возможность воспроизводства трития.

5.Трудности и перспективы.

Исследования в области УТС сталкиваются с большими трудностями как чисто физического, так и технического характера. К первым относится

проблема устойчивости горячей плазмы, помещенной в магнитную ловушку. Правда, применение сильных магнитных полей специальной конфигурации подавляет потоки частиц, покидающих зону реакции, и позволяет получить в ряде случаев достаточно устойчивые плазменные образования. Электромагнитное излучение при используемых значениях n и Т плазмы и возможных размерах реактора свободно покидает плазму, но для чисто водородной плазмы эти энергетические потери определяются только тормозным излучением электронов и в случаи (d, t) реакций

перекрываются ядерным энерговыделением уже при температурах выше 4-107 К.

Вторая фундаментальная трудность связана с проблемой примесей. Даже малая добавка чужеродных атомов с большим Z, которые при рассматриваемых температурах находятся в сильно ионизованном состоянии, приводит к резкому увеличению интенсивности сплошного спектра, к появлению линейчатого спектра и возрастанию энергетических потерь выше допустимого уровня. Требуются чрезвычайные усилия (непрерывное совершенствование вакуумных установок, использование тугоплавких и труднораспыляемых металлов в качестве материала диафрагм, применение специальных устройств для улавливания чужеродных атомов и т.д.), чтобы примесей в плазме оставалось ниже допустимого уровня. Точнее — "летальная" концентрация, исключающая возможность протекания

Читайте также:  Как лучше разрезать бисквит на коржи

термоядерных реакций, например, для примеси вольфрама или молибдена,

составляет десятые доли процента.

На рис. 3 на диаграмме (nt, Т) указаны параметры, достигнутые на различных

установках. Ближе всего к области, где оказывается удовлетворённым критерий Лоусона и может протекать самоподдерживающаяся

термоядерная реакция, располагаются установки типа токамак и системы с

лазерным нагревом. Было бы, однако, ошибочным на основании имеющихся данных делать категорические заключения о типе того устройства, которое будет положено в основу термоядерного реактора будущего. Слишком быстрыми темпами происходит развитие данной области технической физики, и многие оценки могут измениться на протяжении ближайшего десятилетия.

В будущем термояд позволит преодолеть еще один "кризис человечества", а

именно, перенаселение Земли.

Не секрет, что развитие земной цивилизации предусматривает постоянный и

устойчивый рост населения планеты, поэтому вопрос освоения "новых

территорий", иными словами, колонизация соседних планет Солнечной системы для создания постоянных поселений — вопрос уже совсем недалекого будущего.

Сегодня, как признаются ведущие специалисты в области космонавтики, современные ракетные двигатели уже исчерпали свои возможности и могут использоваться, даже при условии постоянной модификации, только для исследования околоземного пространства.

Межпланетное сообщение, строительство долговременных комплексов на "чужих" орбитах возможно только при установке на космических объектах мощных и экономичных двигательных установок, способных обеспечить длительных пилотируемый полет, работу в космосе и безопасное возвращение на Землю.

В статье рассмотрены причины, по которым до настоящего времени управляемый термоядерный синтез не нашел промышленного применения.

Когда в пятидесятых годах прошлого века Землю потрясли мощные взрывы термоядерных бомб, казалось, что до мирного использования энергии синтеза ядер осталось совсем немного: одно или два десятилетия. Для подобного оптимизма имелись и основания: с момента применения атомной бомбы до создания реактора, вырабатывающего электричество, прошло всего 10 лет.

Но задача обуздания термоядерного синтеза оказалась необычайно сложной. Десятилетия проходили одно за другим, а доступа к неограниченным запасам энергии так и не удалось получить. За это время человечество, сжигая ископаемые ресурсы, загрязнило выбросами атмосферу и перегрело ее парниковыми газами. Катастрофы в Чернобыле и на Фукусиме-1 дискредитировали ядерную энергетику.

Что же помешало освоить столь перспективный и безопасный процесс термоядерного синтеза, который навсегда мог бы снять проблему обеспечения человечества энергией?

Изначально было понятно, что для протекания реакции необходимо сблизить ядра водорода настолько плотно, чтоб ядерные силы могли образовать ядро нового элемента – гелия с выделением значительного количества энергии. Но ядра водорода отталкиваются друг от друга электрическими силами. Оценка температур и давлений, при которых начинается управляемая термоядерная реакция показала, что ни один материал не сможет устоять против подобных температур.

По тем же причинам был отвергнут и чистый дейтерий – изотоп водорода. Потратив миллиарды долларов и десятилетия времени, ученые наконец смогли зажечь термоядерное пламя на очень короткое время. Осталось научиться удерживать плазму термоядерного синтеза достаточно долго. От компьютерного моделирования необходимо было переходить к строительству реального реактора.

На этом этапе стало понятно, что усилий и средств отдельного государства не хватит для постройки и эксплуатации опытных и опытно-промышленных установок. В рамках международного сотрудничества было решено реализовать проект экспериментального термоядерного реактора стоимостью больше 14 миллиардов долларов.

Но в 1996 году США прекратила свое участие и, соответственно, финансирование проекта. Некоторое время реализация шла за счет средств Канады, Японии и Европы, но до строительства реактора дело так и не дошло.

Второй проект, тоже международный, реализуется во Франции. Длительное удержание плазмы происходит за счет специальной формы магнитного поля – в виде бутылки. Основу этого способа заложили еще советские физики. Первая установка типа «Токамак» должна дать на выходе больше энергии, чем тратится на поджиг и удержание плазмы.

К 2012 году монтаж реактора должны были закончить, но сведений об успешной эксплуатации пока нет. Возможно, экономические потрясения последних лет внесли свои коррективы и в планы ученых.

Трудности с достижением управляемого термоядерного синтеза породил множество спекуляций и ложных сообщений о так называемой «холодной» термоядерной реакции слияния ядер. При том, что никаких физических возможностей или законов до сих пор не нашли, многие исследователи утверждают о ее существовании. Ведь ставки слишком велики: от Нобелевских премий для ученых до геополитического господства государства, овладевшего подобной технологией и получившего доступ к энергетическому изобилию.

Но каждое такое сообщение оказывается преувеличенным или откровенно ложным. Серьезные ученые относятся к существованию подобной реакции со скептицизмом.

Реальные возможности овладения синтезом и начала промышленной эксплуатации термоядерных реакторов отодвигаются на середину 21 века. К этому времени удастся подобрать необходимые материалы и отработать безопасную его эксплуатацию. Поскольку подобные реакторы будут работать с плазмой очень низкой плотности, безопасность термоядерных электростанций будет гораздо выше, чем атомных станций.

Любое нарушение в зоне реакции сразу «затушит» термоядерное пламя. Но пренебрегать мерами безопасности не стоит: единичная мощность реакторов будет настолько велика, что авария даже в контурах отбора тепла может повлечь и жертвы, и загрязнение окружающей среды. Дело осталось за малым: подождать 30-40 лет и увидеть эпоху энергетического изобилия. Если доживем, конечно.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector