Термоядерный синтез

Термоядерный синтез

• Термоядерные реакции – это реакции синтеза легких ядер, протекающие при высоких температурах.

Условия термоядерного синтеза

• Для осуществления термоядерных реакций необходимы очень высокие температуры (T≈10 8 К): сталкивающиеся ядра должны иметь достаточно большую скорость, чтобы преодолеть кулоновское отталкивание.

Пример термоядерной реакции

Примером термоядерной реакции является слияние изотопов водорода (дейтерия и трития), в результате чего образуется гелий и излучается нейтрон.

Это первая термоядерная реакция, которую ученым удалось осуществить. Она была реализована в термоядерной бомбе и носила неуправляемый (взрывной) характер.

Термоядерное оружие

• Первая термоядерная реакция была осуществлена при взрыве водородной бомбы 12 августа 1953 года на Семипалатинском полигоне. Ее «отцом» стал академик Андрей Дмитриевич Сахаров . 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.

Источником энергии Солнца и других звезд тоже являются реакции термоядерного синтеза, протекающие в их недрах. Таким образом, солнце является природным термоядерным реактором.

Основным процессом, в котором происходит освобождение термоядерной энергии в звездах, является превращение водорода в гелий.

Управляемый термоядерный синтез

• Управляемый термоядерный синтез (УТС) – это синтез более тяжелых атомных ядер из более легких с целью получения энергии синтеза.
• Он отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра.

В 1951 году советские физики А.Д.Сахаров и И.Е.Тамм предложили применять плазменную конфигурацию в форме бублика (тора), которая используется в установке « Токамак » ( то роидальная  ка мера с  ма гнитными  к атушками).

Первый «Токамак» был построен в России в Институте Атомной Энергии им И.В. Курчатова в 1956 г.

Для успешной работы «Токамака» надо решить три задачи:

1) Температура. Процесс ядерного синтеза требует чрезвычайно высокой энергии активации. Изотопы водорода необходимо нагреть до температуры примерно 40 млн.К. Это температура, превышающая температуру Солнца. При такой температуре электроны "испаряются" - остается только положительно заряженная плазма - ядра атомов, разогретые до высокой температуры.

Ученые пытаются разогревать вещество до такой температуры при помощи магнитного поля и лазера, но пока безуспешно.

2) Время. Чтобы началась реакция ядерного синтеза, заряженные ядра должны находиться на достаточно близком расстоянии друг от друга при Т=40млн.К довольно длительное время - около одной секунды.

3) Плазма. Во время ядерного синтеза вещество находится в состоянии плазмы при очень высокой температуре. Но в таких условиях любое вещество будет находиться в газообразном состоянии.

Поскольку у плазмы есть заряд, то для ее удержания можно использовать магнитное поле. Но пока создать надежную "магнитную колбу" ученым так и не удалось.

По самым оптимистическим прогнозам, ученым понадобится 30-50 лет, чтобы создать работающий экологически чистый источник энергии.

Возможность осуществления УТС теоретически рассчитана в нескольких вариантах, однако еще ни один не реализован. На сегодня наиболее перспективным решением проблемы УТС представляется создание термоядерного реактора (и электростанции на его основе) с использованием высокотемпературной плазмы, удерживаемой магнитным полем. Однако не исключены и иные решения, например облучение твердой мишени(крупинки смеси дейтерия и трития) лазерным излучением. Различные варианты УТС в последние десятилетия изучаются физиками во всех развитых странах мира. При полной научно-теоретической ясности путей решения задачи остается еще много нерешенных чисто технических и технологических вопросов, требующих трудоемких и дорогостоящих исследований. УТС - одна из наиболее фундаментальных научно-технических проблем; ее решение обеспечит человечество достаточно экологически чистым источником энергии практически на неограниченный срок.

Преимущества

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

• Практически неисчерпаемые запасы топлива (водород).
• Топливо можно добывать из морской воды на любом побережье мира, что делает невозможным монополизацию горючего одной или группой стран;
• Отсутствие продуктов сгорания;
• По сравнению с ядерными реакторами, вырабатывается незначительное количество радиоактивных отходов с коротким периодом полураспада;

Вопросы:

• 1) Какое главное условие протекания термоядерных реакций?
• 2) Какие советские ученые придумали плазменную конфигурацию в форме «тора»?
• 3) Что является природным термоядерным реактором?