Новая страница 1

Выделение ядерной энергии может происходить не только при реакции деления ядер, но и при реакции соединения (синтеза) ядер. При слиянии трития и дейтерия энергетический выход составляет Q = 17, 6 МэВ

При расчёте энергии выделяющейся на один нуклон оказывается, что при данном синтезе это значение равно 17,6 МэВ/5= 3,5 МэВ, в то время как при делении тяжёлых ядер 0,9 МэВ.

Таким образом, получаем, что реакция синтеза лёгких ядер энергетически более выгодна, чем реакция деления тяжёлых.

Термоядерный синтез — реакция, в которой при высокой температуре из лёгких ядер синтезируются более тяжёлые.

Трудности реализации термоядерных реакций:

Ядра надо сблизить на расстояние, равное радиусу действия ядерных сил r~10^{-14
м, чтобы между ними возникло сильное (ядерное) взаимодействие и началась ядерная
реакция. Этому противодействует кулоновское отталкивание ядер, для преодоления
которого нужно сообщить ионам большую скорость, что можно сделать, повысив
температуру плазмы:}

Представим условия, при которых могут быть реализованы столь высокие температуры.

1. Высокая температура возникает при взрыве урановой или плутониевой бомбы, что может быть использовано для возбуждения термоядерной реакции. Это используется в водородной бомбе, где за счёт взрыва урановой оболочки смесь трития и дейтерия сильно разогревается и сжимается, что порождает взрыв.

2. Управляемая термоядерная реакция может быть создана путём сжатия и термоизоляции дейтериево-тритиевой плазмы стационарным или импульсным магнитным полем. В настоящее время учёными ведутся интенсивные исследования в области управляемых термоядерных реакций.

Такие условия существуют в недрах Солнца и звёзд.

Преимущества управляемой термоядерной реакции

Идея создания термоядерного реактора зародилась в 1950-х годах. В настоящее время управляемый термоядерный синтез ещё не осуществлён.

Термоядерная энергетика, в которой используется абсолютно нерадиоактивный дейтерий и радиоактивный тритий, но в объемах в тысячи раз меньших, чем в атомной энергетике, будет более экологически чистой.

А в возможных аварийных ситуациях радиоактивный фон вблизи термоядерной электростанции не превысит природных показателей.

При этом на единицу веса термоядерного топлива получается примерно в 10 млн. раз больше энергии, чем при сгорании органического топлива, и примерно в 100 раз больше, чем при расщеплении ядер урана.

Источник этот практически неисчерпаем, он основан на столкновении ядер водорода, а водород - самое распространенное вещество во Вселенной.

Этой проблемой занимались в CCCР И.В. Курчатов, А.Д. Сахаров, И.Е. Тамм, Л.А.Арцимович, Е.П. Велихов

Основные направления исследований управляемого термоядерного синтеза

Основная проблема – удержать газ при температуре 10⁷ К (плазму) в замкнутом пространстве.

На данный момент достаточно интенсивно финансируются две принципиальные схемы осуществления управляемого термоядерного синтеза.

1. Квазистационарные системы, в которых удержание плазмы осуществляется магнитным полем при относительно низком давлении и высокой температуре (токомак).

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

ТОКАМАК— тороидальная вакуумная камера для магнитного удержания плазмы. Плазма удерживается магнитным полем, внутри которого плазменный «шнур» висит, не касаясь стенок камеры – «бублика». Впервые разработан в Институте атомной энергии им. Курчатова для исследования проблемы управляемого термоядерного синтеза. На камеру намотаны катушки для создания магнитного поля. Из вакуумной камеры сначала откачивают воздух, а затем заполняют её смесью дейтерия и трития. Затем, с помощью индуктора, в камере создают вихревое электрическое поле.

Индуктор представляет собой первичную обмотку большого трансформатора, в котором камера токомака является вторичной обмоткой. Вихревое электрическое поле вызывает протекание тока в плазме и её нагрев.

Проблемы управляемого термоядерного синтеза в ТОКАМАКе

Пока удаётся получить плотность плазмы 10¹⁴ частиц на см³ за время 1 с, что не позволяет пока запустить самоподдерживающуюся термоядерную реакцию. Произведение плотности плазмы на время удержания должны быть в 20 раз больше, чем достигнуто сейчас.

Для промышленного использования реакции термоядерного синтеза должны идти непрерывно в течение длительного времени. Чтобы добиться протекания реакции в требуемом масштабе, необходимо поднять давление в плазме. Увеличение давления в плазме вызывает в ней процессы, отрицательно сказывающиеся на устойчивости этого состояния вещества. В ней возникают возмущения типа «шейки», «змейки», что ведёт к выбрасыванию плазмы на стенки камеры. Они разрушаются и плазма остывает. Магнитное поле должно препятствовать движению плазмы поперек силовых линий. Пока ТОКАМАК, магнитное поле которого создаётся при помощи сверхпроводящих электромагнитов, требует для удержания жгута плазмы больше энергии, чем выделяется вследствие слияния ядер.

В таких системах УТС осуществляется путем кратковременного сжатия и сверхбыстрого нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий, сверхмощными многоканальными лазерами или ионными импульсами. Такое облучение вызывает в центре мишени термоядерную реакцию.

Мишень для УТС состоит из полой оболочки (1), слоя твердой замороженной ДТ смеси (2) и ДТ газа низкой плотности в центре мишени (3).

Главная идея - осуществление такого режима сжатия мишени, когда до температуры зажигания доводится лишь ее центральная часть, а основная масса топлива остается холодной. Затем волна горения распространяется к поверхностным слоям топлива.

Ливерморская национальная лаборатория в Калифорнии - самый мощный в мире лазерный комплекс.

192 мощных лазера, которые будут одновременно направляться на миллиметровую сферическую мишень (около 150 микрограммов смеси дейтерия и трития). Температура мишени достигнет в результате 100 млн. градусов, при этом давление внутри шарика в 100 млрд. раз превысит давление земной атмосферы. То есть условия в центре мишени будут сравнимы с условиями внутри Солнца.

Импульсная термоядерная установка подобна двигателю внутреннего сгорания, в котором происходят взрывы горючего, периодически подаваемого в рабочую камеру. Трудности УТС заключаются в проблеме мгновенно и равномерно нагреть смесь. Расчеты показывают, что если достичь плотности в 1000 раз выше плотности твердого водорода, то одного миллиона джоулей будет достаточно для поджига термоядерной реакции. Но пока в экспериментальных установках плотность возрастает лишь в 30—40 раз. Основное препятствие — недостаточная равномерность освещения мишени.

Механизм действия водородной бомбы.
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 соединения дейтерия с литием-6. Литий-6 под действием нейтронов расщепляется на гелий и тритий. Затем начинается термоядерная реакция в смеси дейтерия с тритием, температура внутри бомбы стремительно нарастает, вовлекая в синтез все большее и большее количество водорода.

1. В мирных целях: атомные электростанции, атомный ледокол

Атомные электростанции на территории России