Управляемый термоядерный синтез - интереснейший физический процесс, который (пока в теории) может избавить мир от энергетической зависимости от ископаемых источников топлива. В основе процесса лежит синтез атомных ядер из более легких в более тяжелые с выделением энергии. В отличие от другого использования атома - выделение из него энергии в ядерных реакторах в процессе распада - термоядерный синтез на бумаге практически не будет оставлять радиоактивных побочных продуктов. Особые надежды возлагают на реактор ИТЭР, на создание которого затратили безумное количество средств. Скептики, однако, делают ставку на разработки частных корпораций.
В 2018 году ученые сообщили суровую новость: несмотря на беспокойство на тему глобального потепления, за счет угля было выработано 38% мировой электроэнергии в 2017 году - то есть, ровно столько же, сколько и при появлении первых тревожных предупреждений о климате 20 лет назад. Хуже того, выбросы парникового газа выросли на 2,7% в прошлом году - это крупнейшее увеличение за семь лет. Такой застой привел к тому, что даже политики и экологи начали задумываться о том, что нам нужно больше ядерной энергии.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО «Благовещенский государственный педагогический университет»
Физико-математический факультет
Кафедра общей физики
Курсовая работа
на тему: Проблемы термоядерного синтеза
по дисциплине: Физика
Исполнитель: В.С. Клетченко
Руководитель: В.А. Евдокимова
Благовещенск 2010
Введение
Термоядерные реакции и их энергетическая выгодность
Условия протекания термоядерных реакций
Осуществление термоядерных реакций в земных условиях
Основные проблемы, связанные с осуществлением термоядерных реакций
Осуществление управляемых термоядерных реакций в установках типа «ТОКАМАК»
Проект ИТЭР
Современные исследования плазмы и термоядерных реакций
Заключение
Литература
Введение
В настоящее время человечество не может представить свою жизнь без электроэнергии. Она везде. Но традиционные способы получения электроэнергии не дешевые: только представить возведение ГЭС или реактора АЭС, то сразу становится понятно почему. Ученые 20-го века, перед лицом энергетического кризиса, нашли способ получения электроэнергии из вещества, количество которого не ограничено. Термоядерные реакции протекают при распаде дейтерия и трития. В одном литре воды содержится дейтерия столько, что при термоядерном синтезе может выделиться столько энергии, сколько получается при сжигании 350 литров бензина. То есть можно сделать вывод, что вода - это неограниченный источник энергии.
Если бы получение энергии с помощью термоядерного синтеза было бы настолько просто, как при помощи ГЭС, то человечество никогда не испытывало бы кризиса в энергетике. Для получения энергии таким способом необходима температура, эквивалентная температуре в центре солнца. Где взять такую температуру, как дорого будут стоить установки, насколько выгодна такая добыча энергии и безопасна ли такая установка? На эти вопросы будет дан ответ в настоящей работе.
Цель работы: изучение свойств и проблем термоядерного синтеза.
Термоядерные реакции и их энергетическая выгодность
Термоядерная реакция - синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который носит управляемый характер.
Известно, что ядро атома водорода представляет собой протон р. Такого водорода очень много в природе – в воздухе и в воде. Кроме этого существуют более тяжелые изотопы водорода. Ядро одного из них содержит, кроме протона р, еще и нейтрон n. Называется этот изотоп дейтерием D. Ядро другого изотопа содержит, кроме протона р два нейтрона n и называется тритерием (тритием) Т. Термоядерные реакции наиболее эффективно происходят при сверхвысоких температурах порядка 10 7 – 10 9 К. При термоядерных реакциях выделяется очень большая энергия, превышающая энергию, которая выделяется при делении тяжелых ядер. В реакции синтеза выделяется энергия, которая в расчете на 1кг вещества значительно больше энергии, выделяющейся в реакции деления урана. (Здесь под выделяющейся энергией понимается кинетическая энергия частиц, образующихся в результате реакции.) Например, при реакции слияния ядер дейтерия 1 2 D и трития 1 3 Т в ядро гелия 2 4 Не:
1 2 D + 1 3 Т → 2 4 Не + 0 1 n,
Выделяется энергия, приблизительно равная 3,5 МэВ на один нуклон. В реакциях деления энергия на один нуклон составляет около 1 МэВ.
При синтезе ядра гелия из четырех протонов:
4 1 1 p→ 2 4 Не + 2 +1 1 е,
выделяется еще большая энергия, равная 6,7 МэВ на одну частицу. Энергетическая выгодность термоядерных реакций объясняется тем, что удельная энергия связи в ядре атома гелия значительно превышает удельную энергию связи ядер изотопов водорода. Таким образом, при удачном осуществлении управляемых термоядерных реакций человечество получит новый мощный источник энергии.
Условия протекания термоядерных реакций
Для слияния легких ядер необходимо преодолеть потенциальный барьер, обусловленный кулоновским отталкиванием протонов в одноименно положительно заряженных ядрах. Для слияния ядер водорода 1 2 Dих надо сблизить на расстояние r, равное приблизительно r ≈ 3 10 -15 м. Для этого нужно совершить работу, равную электростатической потенциальной энергии отталкивания П=е 2: (4πε 0 r) ≈ 0,1 МэВ. Ядра дейтона смогут преодолеть такой барьер, если при соударении их средняя кинетическая энергия 3 / 2 kT будет равна 0,1 МэВ. Это возможно при Т=2 10 9 К. Практически температура, необходимая для протекания термоядерных реакций снижается на два порядка и составляет 10 7 К.
Температура порядка 10 7 К характерна для центральной части Солнца. Спектральный анализ показал, что в веществе Солнца, как и многих других звезд, имеется до 80% водорода и около 20% гелия. Углерод, азот и кислород составляют не более 1% массы звезд. При огромной массе Солнца (≈ 2 10 27 кг) количество этих газов достаточно велико.
Термоядерные реакции происходят на Солнце и звездах и являются источником энергии, обеспечивающим их излучение. Ежесекундно Солнце излучает энергию3,8 10 26 Дж, что соответствует уменьшению его массы на 4,3 млн. тонн. Удельное выделение энергии Солнца, т.е. выделение энергии, приходящееся на единицу массы Солнца в одну секунду, равно 1,9 10 -4 Дж/с кг. Оно весьма мало и составляет около 10 -3 % от удельного выделения энергии в живом организме в процессе обмена веществ. Мощность излучения Солнца практически не изменилась за много миллиардов лет существования Солнечной системы.
Один из путей протекания термоядерных реакций на Солнце – углеродно-азотный цикл, в котором соединение ядер водорода в ядро гелия облегчается в присутствии ядер углерода 6 12 С играющих роль катализаторов. В начале цикла быстрый протон проникает в ядро атома углерода 6 12 С и образует неустойчивое ядро изотопа азота 7 13 N с излучением γ-кванта:
6 12 С + 1 1 p→ 7 13 N + γ.
С периодом полураспада 14 минут в ядре 7 13 N происходит превращение 1 1 p→ 0 1 n + +1 0 е + 0 0 ν е и образуется ядро изотопа 6 13 С:
7 13 N→ 6 13 С + +1 0 е + 0 0 ν е.
приблизительно через каждые 32 млн. лет ядро 7 14 N захватывает протон и превращается в ядро кислорода 8 15 О:
7 14 N+ 1 1 p→ 8 15 О + γ.
Неустойчивое ядро 8 15 О с периодом полураспада 3 минуты испускает позитрон и нейтрино и превращается в ядро 7 15 N:
8 15 О→ 7 15 N+ +1 0 е+ 0 0 ν е.
Цикл завершается реакцией поглощения ядром 7 15 N протона с распадом его на ядро углерода 6 12 С и α-частицу. Это происходит приблизительно через 100 тысяч лет:
7 15 N+ 1 1 p→ 6 12 С + 2 4 Не.
Новый цикл начинается вновь с поглощением углеродом 6 12 С протона, исходящего в среднем через 13 миллионов лет. Отдельные реакции цикла отдалены во времени промежутками, которые являются по земным масштабам времени непомерно большими. Однако цикл является замкнутым и происходит непрерывно. Поэтому различные реакции цикла происходят на Солнце одновременно, начавшись в разные моменты времени.
В результате этого цикла четыре протона сливаются в ядро гелия с появлением двух позитронов и γ-излучения. К этому нужно добавить излучение, возникающее при слиянии позитронов с электронами плазмы. При образовании одного гамматома гелия выделяется 700 тысяч кВт ч энергии. Это количество энергии компенсирует потери энергии Солнца на излучение. Расчеты показывают, что количества водорода, имеющегося на Солнце, хватит на поддержание термоядерных реакций и излучения Солнца на миллиарды лет.
Осуществление термоядерных реакций в земных условиях
Осуществление термоядерных реакций в земных условиях создаст огромные возможности для получения энергии. Например, при использовании дейтерия, содержащегося в одном литре воды, в реакции термоядерного синтеза выделится столько же энергии, сколько выделится при сгорании примерно 350 литров бензина. Но если термоядерная реакция будет протекать самопроизвольно, то произойдет колоссальный взрыв, так как выделяющаяся при этом энергия очень велика.
Условия, близкие к тем, что реализуются в недрах Солнца, были осуществлены в водородной бомбе. Там происходит самоподдерживающаяся термоядерная реакция взрывного характера. Взрывчатым веществом является смесь дейтерия 1 2 D с тритием 1 3 Т. Высокая температура, необходимая для протекания реакции, получается за счет взрыва обычной атомной бомбы, помещенной внутри термоядерной.
Основные проблемы, связанные с осуществлением термоядерных реакций
В термоядерном реакторе реакция синтеза должна происходить медленно, должна быть возможность управлять ею. Изучение реакций, происходящих в высокотемпературной дейтериевой плазме, является теоретической основой получения искусственных управляемых термоядерных реакций. Основной трудностью является поддержание условий, необходимых для получения самоподдерживающейся термоядерной реакции. Для такой реакции необходимо, чтобы скорость выделения энергии в системе, где происходит реакция, была не меньше, чем скорость отвода энергии от системы. При температурах порядка 10 8 К термоядерные реакции в дейтериевой плазме обладают заметной интенсивностью и сопровождаются выделением большой энергии. В единице объема плазмы при соединении ядер дейтерия выделяется мощность 3кВт/м 3 . При температурах порядка 10 6 К мощность составляет всего лишь 10 -17 Вт/м 3 .
Авария на японской станции Фукусима во второй раз продемонстрировала всему миру опасность атомной энергетики. В странах Европы прошли демонстрации против использования атомных станций. И все же, нет оснований считать, что АЭС больше не будут строиться. Жители Земли потребляют все больше и больше энергии. Для некоторых регионов, где запасы природного угля, нефти и газа минимальны, атомная энергия необходима. К сожалению, альтернативные источники энергии, такие как энергия солнечного света, ветра, волн и т.д. не способны принципиально заменить огромное количество потребляемой человечеством энергии (16 ТВт). Их доля в мировом производстве энергии пока составляет всего 0,5%.
Между тем, современный мир стоит перед очень серьезным энергетическим кризисом. Проблема связана с тем, что по всем серьезным прогнозам запасы ископаемых горючих веществ могут иссякнуть уже во второй половине текущего столетия. Более того, сжигание ископаемых топлив может привести к необходимости каким-то образом связывать и «сохранять» выпускаемый в атмосферу углекислый газ (программа CCS) для предотвращения серьезных изменений в климате планеты.
Сейчас крайне необходим новый мощный источник энергии. Настало время прорыва. Иначе человечество может само себя уничтожить в борьбе за оставшиеся под землей запасы нефти и газа.
Самой серьезной альтернативой современным источникам энергии ученые считают управляемый термоядерный синтез.
Ядерный синтез, являющийся основой существования Солнца и звезд, потенциально представляет собой неистощимый источник энергии для развития вселенной вообще.
Эксперименты, проводимые в Великобритании в рамках программы Joint European Torus (JET), являющейся одной из ведущих исследовательских программ в мире, показывают, что ядерный синтез может обеспечить не только текущие энергетические потребности человечества, но и гораздо большее количество энергии.
Пример термоядерной реакции — дейтерий + тритий
Два ядра: дейтерия и трития сливаются, с образованием ядра гелия (альфа-частица) и высокоэнергетического нейтрона.
Именно эту реакцию предполагается использовать в будущих термоядерных реакторах. Но осуществить эту реакцию и сделать ее управляемой очень сложно. Для инициирования (зажигания) реакции синтеза необходимо нагреть газ из смеси дейтерия и трития до температуры выше 100 миллионов градусов Цельсия, что примерно в десять раз выше температуры в центре Солнца. При этой температуре наиболее «энергетические» дейтроны и тритоны (ядра дейтерия и трития) сближаются при столкновениях на столь близкие расстояния, что между ними начинают действовать мощные ядерные силы, заставляющие их сливаться друг с другом в единое целое.
Осуществление процесса ядерного синтеза в лаборатории связано с очень сложными проблемами. Для решения задачи нагрева и удержания газовой смеси ядер D и T были придуманы «магнитные бутылки», получившие название «Токамак» , которые предотвращают взаимодействие плазмы со стенками реактора. 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 10 6 °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). Эта установка начала работать в 1983 году и остается пока крупнейшим в мире токамаком, обеспечивающим нагрев плазмы до температуры 150 10 6 °C.
В настоящее время во Франции начинается строительство международного экспериментального термоядерного реактора ITER. Расшифровывается аббревиатура как International Tokamak Experimental Reactor, но в настоящее время название ITER официально не считается аббревиатурой, а связывается с латинским словом iter — путь.
На рисунке - проект строительства реактора ITER в местечке Кадараш, Франция
Задачи, стоящие на пути создания термоядерных реакторов и преимущества ядерной энергетики очень подробно и доступно для понимания были изложены в лекции «На пути к термоядерной энергетике», прочитанной председателем Совета ITER Кристофером Ллуэллин-Смитом в ФИАНе. (http:///elementy.ru/lib/430807)
ITER должен стать первой крупномасштабной энергетической установкой, рассчитанной на длительную эксплуатацию. Проблемы и сложности эксплуатации такой установки связаны, прежде всего, с тем, что мощный поток высокоэнергетических нейтронов и выделяющаяся энергия (в виде электромагнитного излучения и частиц плазмы) серьезно воздействуют на реактор и разрушают материалы, из которых он создан. Вторая основная проблема состоит в обеспечении высокой прочности конструкционных материалов реактора при длительной (в течение нескольких лет) бомбардировке нейтронами и под воздействием потока тепла. Третья и, возможно, самая главная проблема состоит в обеспечении высокой надежности работы. Таким образом, проектирование и постройка термоядерных станций требуют от физиков и инженеров решения целого ряда разнообразных и очень сложных технологических задач.
Однако, несмотря на все сложности, проблема стоит того, чтобы ей заниматься самым серьезным образом. Основное преимущество ядерного синтеза состоит в том, что в качестве топлива для него требуется лишь очень небольшое количество весьма распространенных в природе веществ. Реакция ядерного синтеза в описываемых установках может приводить к выделению огромного количества энергии, в десять миллионов раз превышающего стандартное тепловыделение при обычных химических реакциях (типа сжигания ископаемого топлива). Например, количество угля, необходимого для обеспечения работы тепловой электростанции мощностью 1 ГВт составляет 10 000 тонн в день (десять железнодорожных вагонов), а термоядерная установка такой же мощности будет потреблять в день лишь около 1 килограмма смеси D+T.
Дейтерий является устойчивым изотопом водорода. Примерно в одной из каждых 3350 молекул обычной воды один из атомов водорода замещен дейтерием (наследие, доставшееся нам от Большого Взрыва). Этот факт позволяет легко организовать достаточно дешевое получение необходимого количества дейтерия из воды. Более сложным является получение трития, который является нестабильным (период полураспада около 12 лет, вследствие чего его содержание в природе ничтожно), однако, тритий будет возникать прямо внутри термоядерной установки в процессе работы, за счет реакции нейтронов с литием.
Таким образом, исходным топливом для термоядерного реактора являются литий и вода. Литий представляет собой обычный металл, широко используемый в бытовых приборах (в батарейках для мобильных телефонов и т. п.). Описанная выше установка, даже с учетом неидеальной эффективности, сможет производить 200 000 кВт/час электрической энергии, что эквивалентно энергии, содержащейся в 70 тоннах угля. Требуемое для этого количество лития содержится в одной батарейке, а количество дейтерия — в 45 литрах воды. Указанная выше величина соответствует современному потреблению электроэнергии (в пересчете на одного человека) в странах ЕС за 30 лет. Сам факт, что столь ничтожное количество лития может обеспечить выработку такого количества электроэнергии (без выбросов CO 2 и без малейшего загрязнения атмосферы), является достаточно серьезным аргументом для быстрейшего и энергичного развития термоядерной энергетики (несмотря на все сложности и проблемы) и даже без стопроцентой уверенности в успехе таких исследований.
Дейтерия должно хватить на миллионы лет, а запасы легко добываемого лития вполне достаточны для обеспечения потребностей в течение сотен лет. Даже если запасы лития в горных породах иссякнут, мы можем добывать его из воды, где он содержится в достаточно высокой концентрации (в 100 раз превосходящей концентрацию урана), чтобы его добыча была экономически целесообразной.
Термоядерная энергетика не только обещает человечеству, в принципе, возможность производства огромного количества энергии в будущем (без выбросов CO 2 и без загрязнения атмосферы), но и обладает повышенной безопасностью. Используемая в термоядерных установках плазма имеет очень низкую плотность (примерно в миллион раз ниже плотности атмосферы), вследствие чего рабочая среда установок никогда не будет содержать в себе энергии, достаточной для возникновения серьезных происшествий или аварий. Кроме того, загрузка «топливом» должна производиться непрерывно, что позволяет легко останавливать ее работу, не говоря уже о том, что в случае аварии и резкого изменения условий окружения термоядерное «пламя» должно просто погаснуть.
В чем состоят связанные с ядерной энергетикой опасности? Во-первых, стоит отметить, что оболочка реактора при длительном нейтронном облучении может стать радиоактивной. Однако при подборе для оболочки материалов с заданными свойствами можно обеспечить распад радиоактивных продуктов с периодом полураспада порядка 10 лет, а полная замена всех компонентов могла бы осуществляться через 100 лет. В случае полного отказа контура охлаждения радиоактивность стенок будет продолжать выделять тепло, но максимальная температура будет значительно ниже того значения, при котором установка расплавится.
Во-вторых, тритий является радиоактивным и имеет относительно небольшой период полураспада (12 лет). Но хотя объем используемой плазмы значителен, из-за ее низкой плотности там содержится лишь очень небольшое количество трития (общим весом примерно как десять почтовых марок). Поэтому, даже при самых тяжелых ситуациях и авариях (полное разрушение оболочки и выделение всего содержащегося в ней трития, например, при землетрясении и падении самолета на станцию), в окружающую среду поступит лишь незначительное количество топлива, что не потребует эвакуации населения из близлежащих населенных пунктов.
Основное препятствие на пути развития исследований в области ядерного синтеза состоит в том, что термоядерную установку обсуждаемого типа нельзя создать и исследовать в малых размерах, поскольку для термоядерного синтеза необходимо не только магнитное удержание плазмы, но и достаточный ее нагрев. Отношение затрачиваемой и получаемой энергии возрастает, по меньшей мере, пропорционально квадрату линейных размеров установки, вследствие чего научно-технические возможности и преимущества термоядерных установок могут быть проверены и продемонстрированы лишь на достаточно крупных станциях, типа упоминавшегося реактора ITER. Общество просто не было готово к финансированию столь крупных проектов, пока не было достаточной уверенности в успехе.
За последние два десятилетия наблюдался и значительный прогресс в теоретическом понимании поведения плазмы. В этой области необходимо отметить два результата, имеющих особую важность в рассматриваемых задачах:
1. Была обнаружена способность горячей плазмы (предсказанная ранее в лаборатории Culham, Великобритания) к самогенерации собственного тока, что получило название «зашнуровки» плазмы. Например, можно ожидать, что примерно 80% от тока величиной 15 MA, необходимого для удержания плазмы в реакторе ITER, будет возникать на основе этого эффекта, в результате чего поддержание рабочего режима реактора потребует намного меньше энергии, а само управление его работой станет гораздо более простым.
2. В Институте физики плазмы в Гархинге (Garching, Германия) в экспериментах по термоядерному слиянию наблюдался режим «высокого удержания», позволяющий значительно повысить давление в системе (то есть увеличить эффективность работы установки) при некоторых значениях магнитного поля в установке.
Реактор ITER создается консорциумом, в который входят Европейское Сообщество, Япония, Россия, США, Китай, Южная Корея и Индия. Общая численность населения этих стран составляет около половины всего населения Земли, так что проект можно назвать глобальным ответом на глобальный вызов. Основные компоненты и узлы реактора ITER уже созданы и испытаны, а строительство уже начато в местечке Кадараш (Франция). Запуск реактора запланирован на 2019 год, а получение дейтерий-водородной плазмы — на 2026 год, так как ввод реактора в действие требует длительных и серьезных испытаний для плазмы из водорода и дейтерия.
Как сказал Кристофер Ллуэллин-Смит, председатель Совета ИТЭР: «Нет абсолютной гарантии, что задача создания термоядерной энергетики (в качестве эффективного и крупномасштабного источника энергии для всего человечества) завершится успешно, но я лично полагаю, что вероятность удачи в этом направлении достаточно высока. Учитывая огромный потенциал термоядерных станций, можно считать оправданными все затраты на проекты их быстрого (и даже ускоренного) развития, тем более, что эти капиталовложения выглядят весьма скромными на фоне чудовищного по объему мирового энергетического рынка (4 триллиона долларов в год). Обеспечение потребностей человечества в энергии является очень серьезной проблемой. По мере того, как ископаемое топливо становится всё менее доступным (помимо этого, его использование становится нежелательным), ситуация изменяется, и мы просто не можем позволить себе не развивать термоядерную энергетику.»
На вопрос «Когда появится термоядерная энергетика?» Лев Арцимович (признанный пионер и лидер исследований в этой области) как-то ответил, что «она будет создана, когда станет действительно необходимой человечеству» . Возможно, это время пришло.
Это
научно-популярная статья, в которой я хочу рассказать интересующимся
ядерным синтезом о его принципах. Это "холодный" и "горячий" термояд,
радиоактивный распад, ядерная реакция расщепления и имеющиеся данные
о синтезе широкого спектра веществ в так называемом процессе
трансмутации.
Что же является тем «философским камнем», который
позволит человеку получить в свое распоряжение ядерный синтез?
- На мой взгляд, это знания! Знания без догм и шарлатанства! При
постижении которых будут провалы и покорения новых вершин.
Возможно прочитав ее, Вы заинтересуетесь этими проблемами и
в будущем займетесь ими основательно подготовившись. Здесь я попытался рассказать
об основных принципах заложенных в природе вещества - материи и
лишний раз подтверждающих представление о простоте и оптимальности
природы.
В литературе мы часто находим термин «Термоядерный синтез».
Термоядерная реакция, термоядерный синтез (синоним: ядерная реакция синтеза)
Разновидность ядерной реакции, при которой лёгкие атомные ядра объединяются в более тяжёлые ядра. http://ru.wikipedia.org/wiki/ введите для поиска - Термоядерный синтез
Точнее, под термином «Термоядерный синтез» принято считать «Ядерный синтез» с выделением энергии (тепла).
В то же время, понятие «Ядерный синтез» включает:
Для этого процесса существует особое понятие Нуклеосинтез - процесс образования ядер химических элементов тяжелее водорода в ходе реакции ядерного синтеза (слияния).
В процессе первичного нуклеосинтеза образуются элементы не тяжелее лития, теоретическаямодель Большого Взрыва предполагает следующее соотношение элементов:
H - 75%, 4He - 25%, D - 3·10 −5 , 3He - 2·10 −5 , 7Li - 10 −9 ,
что хорошо согласуется с экспериментальными данными определения состава вещества в объектах с большим красным смещением (по линиям в спектрах квазаров.
Звёздный нуклеосинтез - собирательное понятие для ядерных реакций образования элементов тяжелее водорода, внутри звёзд, а также, в незначительной степени,на их поверхности.
В том и другом случае, скажу возможно кощунственную для некоторых фразу, синтез может проходить как при выделении избыточной энергии связи, так и при поглощении недостающей. Поэтому корректнее говорить не о термоядерном синтезе, а о более общем процессе - ядерном синтезе.
Общеизвестны критерии существования термоядерного синтеза (для реакции D-T), который возможен при одновременном выполнении двух условий:
где n - плотность высокотемпературной плазмы, τ - время удержания плазмы в системе.
От значения этих двух критериев в основном зависит скорость протекания той или иной термоядерной реакции.
В настоящее время (2012) управляемый термоядерный синтез ещё не осуществлён в промышленных масштабах. Строительство международного экспериментального термоядерного реактора (ITER) находится в начальной стадии. И срок его пуска уже не первый раз откладывается.
Практически те же критерии, но более общие, для синтеза ядер необходимо сблизить их на расстояние порядка 10 −15 м, на котором действие сильного взаимодействия будет превышать силы электростатического отталкивания.
Условия преобразования известны, это сближение ядер до расстояний когда начинают действовать внутриядерные силы.
Но это простое условие, не так-то просто выполнить. Существуют кулоновские силы положительно, одноименно заряженных ядер, участвующих в ядерной реакции, которые необходимо преодолеть чтобы сблизить ядра на то расстояние когда начинают действовать внутриядерные силы и ядра объединяются.
Что надо для преодоления кулоновских сил?
Если абстрагироваться от необходимых энергетических затрат на это, то совершенно определенно можно сказать, что сблизив любые два и более ядер на расстояние меньшее 1/2 диаметра ядра мы приведем их к состоянию когда внутриядерные силы приведут к их слиянию. В результате слияния образуется новое ядро, масса которого будет определяться суммой нуклонов в исходных ядрах. Образовавшееся ядро, в случае его неустойчивости, в результате того или иного распада придет через некоторое время в некоторое стабильное состояние.
Обычно ядра участвующие в процессе синтеза существуют в виде ионов, частично или полностью потерявшие электроны.
Сближение ядер достигается несколькими путями:
Оставив пока для сохранения пока терминологию, посмотрим что такое термоядерный синтез.
Последнее время мы редко слышим об исследованиях «горячего» термоядерного синтеза.
Нас одолевают свои проблемы, более жизненные для нас, чем для всего человечества. Да это и понятно кризис продолжается и мы стремимся выжить.
Но исследования и работы в области термоядерного синтеза продолжаются. Существует два направления работ:
Причем их отличие горячий - холодный только описывает условия, которые необходимо создать для протекания данных реакций.
Имеется в виду что в «горячем» ядерном синтезе продукты участвующие в термоядерной реакции надо разогреть, чтобы придать их ядрам определенную скорость (энергию) для преодоления кулоновского барьера, чем создать условия для протекания реакции ядерного синтеза.
В случае «холодного» ядерного синтеза - синтез протекает при внешних нормальных условиях (усредненных по объему установки, а температура а зоне синтеза (в микро объеме) полностью соответствует выделяемой энергии), но поскольку существует сам факт ядерного синтеза, условия необходимые для слияния ядер так же выполняются. Как Вы понимаете требуются определенные оговорки и уточнения, когда говорят о «холодном» ядерном синтезе. Поэтому едва ли применим для этого термина «холодный», скорее подходит обозначение, LENR (низко энергетические ядерные реакции).
Но, думаю Вы понимаете, что термоядерная реакция идет с выделением энергии и в обоих случаях ее результат «горячий» - это выделение тепла. Так например при «холодном» ядерном синтезе, как только количество фактов синтеза станет достаточно большим температура активной среды начнет повышаться.
Не боясь быть нудным повторю, суть ядерного синтеза заключается в сближении ядер вещества участвующего в реакции на расстояние когда на участвующие в ядерном синтезе атома начинают действовать (преобладать) внутриядерные силы под действием которых ядра сольются.
Эксперименты с «Горячим» ядерным синтезом проводятся на сложных и дорогих установках использующих самые передовые технологии и позволяющих разогревать плазму до температур более 10 8 К и удерживать ее в вакуумной камере с помощь сверх сильных магнитных полей достаточно длительное время (в промышленной установке это должно выполняться в непрерывном режиме - это все время ее работы, в исследовательских это может быть режим одиночных импульсов и на время необходимое для протекания термоядерной реакции, в соответствии с критерием Лоусона (если интересно, см. http://ru.wikipedia.org/wiki/ введите для поиска - Критерий Лоусона).
Существует несколько типов таких установок, но наиболее перспективной считается установка типа «ТОКАМАК» -ТО роидальная КА мера с МА гнитными К атушками.
| Предложение об использовании управляемого
термоядерного синтеза для
промышленных целей и конкретная схема с использованием
термоизоляции высокотемпературной плазмы электрическим полем
были впервые сформулированы советским физиком О. А.
Лаврентьевым в
работе середины 1950-го года. Эта работа послужила катализатором
советских исследований по проблеме управляемого термоядерного
синтеза А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм в
1951 году предложили модифицировать схему, предложив
теоретическую основу термоядерного реактора, где плазма имела бы
форму тора и удерживалась магнитным полем.
Термин « токамак» был придуман позже И. Н. Головиным, учеником академика Курчатова. Первоначально он звучал как «токамаг» - сокращение от слов «то роидальная ка мера маг нитная», но Н. А. Явлинский, автор первой тороидальной системы, предложил заменить «-маг» на «-мак» для благозвучия. В последующем эта версия была заимствована всеми языками. Первый токамак был построен в 1955 году, и долгое время токамаки существовали только в СССР. Лишь после 1968 года, когда на токамаке T-3 , построенном в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова под руководством академика Л. А. Арцимовича, была достигнута температура плазмы 10 млн градусов, и английские ученые со своей аппаратурой подтвердили этот факт, в который поначалу отказывались верить, в мире начался настоящий бум токамаков. Начиная с 1973 программу исследований физики плазмы на токамаках возглавил Кадомцев Б. Б. Официальная физика считает токамак единственно перспективным устройством для осуществления управляемого термоядерного синтеза. |
В настоящее время (2011) управляемый термоядерный синтез ещё не осуществлён в промышленных масштабах. Строительство международного экспериментального термоядерного реактора (ITER) находится в начальной стадии. (Закончено проектирование)
|
Проект
iter
- путь - проект
международного экспериментального термоядерного реактора.
Проектирование реактора полностью закончено и выбрано место для его строительства на юге Франции, в 60 км от Марселя, на территории исследовательского центра Кадараш. |
||
| Текущие планы: | ||
| Исходныная дата, гг. | Новая дата, гг. | |
| 2007-2019 | 2010-2022 | период строительства реактора. |
| 2026 | 2029 | Первые реакции термоядерного синтеза |
| 2019-2037 | 2022 - 2040 | ожидаются эксперименты, по истечении которых проект будет закрыт, |
| После 2040 | 2043 | реактор станет производить электроэнергию (при условии успешных экспериментов) |
| В связи с экономической ситуацией возможна задержка еще на 3 года, что возможно приведет к необходимости доработки проекта. Это приведет к общей задержке примерно на 5 лет. | ||
|
В проекте ITER
принимают участие Россия, США, Китай, ЕС, Республика Корея,
Индия и Япония. Поскольку реактор будет построен на
территории Евросоюза, то он будет финансировать 40%
стоимости проекта. Остальные страны-участницы финансируют по
10% проекта. Первоначально общая стоимость этой программы
оценивалась в 13 миллиардов евро. Из них 4,7 миллиарда будет
затрачено на капитальное строительство демонстрационной
установки. Термоядерная мощность реактора ITER составит 500
МВт. В последующем стоимость увеличилась до 15 млрд евро,
аналогична сумма потребуется для проведения исследований. В Японии ранее уже начинали строительство ИТЕР на севере острова Хонсю в местечке Роккасе префектуры Аомори, однако в Токио вынуждены были отказаться от самостоятельного возведения реактора, так как в проект необходимо было вложить 600-800 миллиардов иен (около $6-8 миллиардов). |
||
Так называемый «холодный» ядерный синтез (как я уже говорил, он холодный пока число событий синтеза - слияния мало), не смотря на отношение официальной науки, тоже имеет место быть.
Логика подсказывает, что условия для сближения ядер могут быть достигнуты и другими способами. Пока мы просто не можем понять физику процессов происходящих в микромире, объяснить их, а поэтому получить повторяемость эксперимента и в результате практического применения.
Инструментальные подтверждения протекания ядерных реакций есть.
В множестве экспериментов зарегистрированы признаки присущие ядерному синтезу (как отдельные так и в совокупности): выделения нейтронов, выделение тепла, побочные излучения, продукты ядерного синтеза.
Логика подсказывает возможность существования ЯС без выделения нейтронов, побочных излучений и даже с поглощением энергии. Но всегда имеет место появление новых химических элементов в продуктах ядерного синтеза.
Например может иметь место ядерная реакция без нейтронов и других излучений
D + 6Li → 2 + 22,4 MeV
Больше того в природе зафиксированы подобные явления.
Радиоактивный распад.
В природе известен синтез новых химических элементов в процессе радиоактивного распада.
Радиоактивный распад (от лат. radius «луч» и āctīvus «действенный») - спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер (заряда Z, массового числа A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов. Процесс радиоактивного распада также называют радиоактивностью, а соответствующие элементы радиоактивными. Радиоактивными называют также вещества, содержащие радиоактивные ядра.
Установлено, что радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), и многие более лёгкие элементы (прометий и технеций не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, таких как индий, калий или кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны).
Виды радиоактивного распада
Ядерную реакцию расщепления ядра Урана 238 U можно тоже отнести к реакциям ядерного синтеза, с тем отличием, что происходит синтез более легких ядер при том или ином расщеплении тяжелого ядра 238 U. При этом выделяется энергия которую и используют в ядерной энергетике. Но не буду здесь рассказывать о цепной реакции, ядерном реакторе...
Сказанного уже хватит чтобы отнести реакцию расщепления ядра к категории реакций ядерного синтеза.
Слово трансмутации, так не любимое официальной наукой, возможно за то что им, в былые времена, (когда ученых званий еще и не было) активно пользовались алхимики, все таки наиболее полно отражает процесс преобразования вещества.
Трансмутация (от лат. trans - сквозь, через, за; лат. mutatio - изменение, перемена)
Превращение одного объекта в другой. Термин имеет несколько значений, но мы опустим значения не относящиеся к нашей теме:
А возможно слово «превращение» им кажется сродни слову «волшебство», но ведь имеет место быть всем понятное естественное «превращение» изотопов одних химических элементов в другие химические элементы.
Среди тяжелых естественных радиоактивных элементов известно 3 семейства 238 92 U, 235 92 U, 232 90 U после ряда последовательных α и β распадов превращаются в стабильные 206 82 Pb, 207 82 Pb, 208 82 Pb.
И ряд других [Л. 5]:
И слово превращение здесь весьма кстати.
Конечно, кому это ближе, могут с полным правом применить термин синтез.
Здесь нельзя не упомянуть работы по очистке промышленных стоков, проводившиеся Вачаевым А.В.[Л.7], которые привели к обнаружению совершенно новых эффектов ядерного синтеза, эксперимент Уруцкоева Л.И.[Л.6], подтвердивший возможность ядерного преобразования (трансмутации) и исследования проведенные Паньковым В.А., Кузьминым Б.П.[Л.10], полностью подтвердившие результаты Вачаева А.Л по преобразование вещества в электрическом разряде. Но подробно Вы можете посмотреть их работы по ссылкам.
Экспериментаторами обсуждается возможность преобразования вещества в растениях.
Термином "Трансмутация" можно обозначить и синтез сверхтяжелых элементов.
Первые Трансурановые элементы (ТЭ) были синтезированы в начале 40-х гг. 20 в. в Беркли (США) группой учёных под руководством Э. Макмиллана и Г. Сиборга, удостоенных Нобелевской премии за открытие и изучение этих элементов. Известно несколько способов синтеза ТЭ. Они сводятся к облучению мишени потоками нейтронов или заряженных частиц. Если в качестве мишени используется U, то с помощью мощных нейтронных потоков, образующихся в ядерных реакторах или при взрыве ядерных устройств, можно получить все ТЭ до Fm (Z = 100) включительно. Процесс синтеза состоит либо в последовательном захвате нейтронов, причём каждый акт захвата сопровождается увеличением массового числа А, приводящим к β - распаду и увеличению заряда ядра Z, либо в мгновенном захвате большого числа нейтронов (взрыв) с длинной цепочкой β - распадов. Возможности этого метода ограничены, он не позволяет получать ядра с Z > 100. Причины - недостаточная плотность нейтронных потоков, малая вероятность захвата большого числа нейтронов и (что наиболее важно) очень быстрый радиоактивный распад ядер с Z > 100.
Для синтеза далёких ТЭ используется два типа ядерных реакций - слияния и деления. В первом случае ядра мишени и ускоренного иона полностью сливаются, а избыточная энергия образовавшегося возбуждённого составного ядра снимается путём «испарения» (выделения) нейтронов. При использовании ионов С, О, Ne и мишеней из Pu, Cm, Cf образуется сильно возбуждённое составное ядро (энергия возбуждения ~ 40-60 Мэв). Каждый испаряемый нейтрон способен унести из ядра энергию в среднем порядка 10-12 Мэв, поэтому для «остывания» составного ядра должно вылететь до 5 нейтронов. С испарением нейтронов конкурирует процесс деления возбуждённого ядра. Для элементов с Z = 104-105 вероятность испарения одного нейтрона в 500-100 раз меньше вероятности деления. Это объясняет малый выход новых элементов: доля ядер, которые «выживают» в результате снятия возбуждения, составляет всего 10-8-10-10 от полного числа ядер мишени, слившихся с частицами. В этом кроется причина того, что за последние 20 лет синтезировано всего 5 новых элементов (Z = 102-106).
В ОИЯИ разработан новый метод синтеза ТЭ, основанный на реакциях слияния ядер, причём в качестве мишеней используются плотно упакованные устойчивые ядра изотопов Pb, а в качестве бомбардирующих частиц сравнительно тяжёлые ионы Ar, Ti, Cr. Избыточная энергия ионов расходуется на «распаковку» составного ядра, и энергия возбуждения оказывается низкой (всего 10-15 Мэв). Для снятия возбуждения такой ядерной системы достаточно испарения 1-2 нейтронов. В итоге получается весьма заметный выигрыш в выходе новых ТЭ. Этим методом был осуществлен синтез ТЭ с Z = 100, Z = 104 и Z = 106.
В 1965 Флёров предложил использовать для синтеза ТЭ вынужденное деление ядер под действием тяжёлых ионов. Осколки деления ядер под действием тяжёлых ионов имеют симметричное распределение по массе и заряду с большой дисперсией (следовательно, в продуктах деления можно обнаружить элементы с Z значительно, большим, чем половина суммы Z мишени и Z бомбардирующего иона). Экспериментально было установлено, что распределение осколков деления становится шире по мере использования всё более тяжёлых частиц. Применение ускоренных ионов Xe или U позволило бы получить новые ТЭ в качестве тяжёлых осколков деления при облучении урановых мишеней. В 1971 в ОИЯИ были ускорены ионы Xe с помощью 2 циклотронов, которыми облучалась урановая мишень. Результаты показали, что новый метод пригоден для синтеза тяжёлых ТЭ.
Для синтеза ТЭ делают попытки использовать реакция (слияние) ядер титана-50 и калифорния-249. По расчетам, там вероятность образования ядер 120-го элемента несколько выше.
Само наличие короткоживущих и долгоживущих изотопов, стабильных ядер и современное знания об их строении говорят об определенных зависимостях и сочетаниях количества нуклонов в ядре, которые придают им способность существовать в указанные выше сроки.
Это же подтверждает и отсутствие других химических элементов.
Логика подсказывают существования законов определяющих определенный нуклонный состав ядра (подобно его электронным оболочкам).
Или другими словами формирование ядра происходит по определенным квантованным зависимостям, которые подобны электронным оболочкам. Других устойчивых (долгоживущих) ядер (атомов) химических элементов просто не может быть.
В то же время это не отрицает возможность существования других сочетаний нуклонов и их количества в ядре. Но время жизни такого ядра существенно ограничено.
Что касается неустойчивых (короткоживущих) ядер (атомов), то там могут, в определенных условиях, существовать ядра имеющие другие сочетания нуклонов и их количества в ядре, по сравнению со стабильными ядрами и во множестве их сочетаний.
Наблюдения показывают, что при увеличении количества нуклонов (протонов или нейтронов) в ядре существуют определённые числа, при которых энергия связи следующего нуклона в ядре намного меньше, чем последнего. Особой устойчивостью отличаются атомные ядра, содержащие магические числа 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114, 126 , 164 для протонов и 2, 8, 20, 28, 50, 82 , 126 , 184, 196, 228, 272, 318 для нейтронов. (Жирным выделены дважды магические числа, то есть магические и для протонов и для нейтронов)
Магические ядра являются наиболее устойчивыми. Это объясняется в рамках оболочечной модели: дело в том, что протонные и нейтронные оболочки в таких ядрах заполнены - как и электронные у атомов благородных газов.
Согласно этой модели, каждый нуклон находится в ядре в определённом индивидуальном квантовом состоянии, характеризуемом энергией, моментом вращения (его абсолютной величиной j, а также проекцией m на одну из координатных осей) и орбитальным моментом вращения l.
Оболочечная модель ядра фактически является полуэмпирической схемой, позволяющей понять некоторые закономерности в структуре ядер, но не способной последовательно количественно описать свойства ядра. В частности, ввиду перечисленных трудностей непросто выяснить теоретически порядок заполнения оболочек, а следовательно, и «магические числа», которые служили бы аналогами периодов таблицы Менделеева для атомов. Порядок заполнения оболочек зависит, во-первых, от характера силового поля, которое определяет индивидуальные состояния квазичастиц, и, во-вторых, от смешивания конфигураций. Последнее обычно принимается во внимание лишь для незаполненных оболочек. Наблюдаемые на опыте магические числа общие для нейтронов и протонов (2, 8, 20, 28, 40, 50, 82, 126) отвечают квантовым состояниям квазичастиц, движущихся в прямоугольной или осцилляторной потенциальной яме со спин-орбитальным взаимодействием (именно благодаря ему и возникают числа 28, 40, 82, 126)
Законы физики едины везде и не зависят от размеров систем где они действуют. И нельзя говорить об аномальных явлениях. Любая аномальность говорит о нашем непонимании происходящих процессов и сути явлений. Только в каждом случае они могут проявляться по разному поскольку в каждой ситуации накладываются свои граничные условия.
Например:
Поэтому учитывая граничные условия можно наткнуться на совершенно необычные для нашего восприятия явления и процессы.
Как сказал кто-то из старых философов: «Бесконечно малое может быть бесконечно большим». Перефразируя, можно сказать и про вещество, «В бесконечно малом скрыта бесконечно большие...» Вместо многоточия поставить: давление, температура, напряженность электрического или магнитного полей.
И это подтверждают имеющиеся данные о величине энергии молекулярных связей, кулоновских, внутриядерных сил (энергии связи нуклонов в ядре).
Поэтому в микромире возможны сверхвысокие давления, сверх высокие напряженности электрического и магнитного поля и сверхвысокие температуры. Чем хорошо использование возможностей микро объемов (мира), то что на получение этих сверх значений, чаще всего, не нужны огромные энергетические затраты.
Эта установка появилась на свет в результате исследований, проводившихся в 50-х годах в СССР в рамках государственной программы научно-технического прогресса. В 1989 г. было принято решение воссоздать в подмосковном НПО «Луч» 3 термоэмиссионные гидролизные энергетические установки мощностью по 12.5 кВт каждая. Это решение было мгновенно претворено в жизнь под руководством И.С. Филимоненко. Все три установки были подготовлены к сдаче в опытную эксплуатацию в 1990 г. При этом на каждый киловатт, вырабатываемый энергетическими установками теплого синтеза, приходилось всего 0.7 грамма палладия, на котором, как выяснилось позже, свет клином не сошелся.
В заключение можно сказать:
Чем больше объем области где протекает ядерный синтез (при равной плотности исходного вещества), тем больше энергозатраты на его инициацию и соответственно больше энергетический выход. Не говоря уже о финансовых затратах, которые тоже пропорциональны размерам рабочей области.
Это характерно для «Горячего» термояда. Разработчики планируют получать с его помощью сотни мегаватт мощности.
В то же время существует малозатратный (во всех перечисленных выше направлениях) путь. Его имя L ERN.
Он использует возможности достижения необходимых для ядерного синтеза условий в микрообъемах и получение небольших, но достаточных для удовлетворения многих нужд мощностей (до мегаватта). В некоторых случаях возможно прямое преобразование энергии в электрическую. Правда, последнее время, такие мощности часто просто не интересуют энергетиков, градирни которых отправляют в атмосферу много большие мощности.
Пока нерешенной проблемой «горячего» и некоторых вариантов «холодного» ядерного синтеза остается проблема удаления продуктов распада из рабочей области. Что необходимо, поскольку они снижают концентрацию участвующих в ядерном синтезе исходных веществ. Что приводит к нарушению критерия Лоусона в «горячем» ядерном синтезе и «погасанию» реакции синтеза. В «холодном» ядерном синтезе, в случае циркуляции исходного вещества этого не происходит.
| № пп | Данные статьи | Ссылка |
| 1 | Токамак, | http://ru.wikipedia.org/wiki/Токамак |
| 2 | I-07.pdf * | |
| 6 | ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБНАРУЖЕНИЕ "СТРАННОГО" ИЗЛУЧЕНИЯ И ТРАНСФОРМАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ, Л.И. Уруцкоев*, В.И. Ликсонов*, В.Г. Циноев** "РЭКОМ" РНЦ "Курчатовский институт", 28 марта 2000 г | http://jre.cplire.ru/jre/mar00/4/text.html |
| 7 | Трансмутация вещества по Вачаеву - Гриневу | http://rulev-igor.narod.ru/theme_171.html |
| 8 | О ПРОЯВЛЕНИЯХ РЕАКЦИИ ХОЛОДНОГО ЯДЕРНОГО СИНТЕЗА В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ. Михаил Карпов | http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/8767.html |
| 9 | Ядерная физика в Интернете, Магические числа, глава из «Экзотические ядра» Б.С. Ишханов, Э.И. Кэбин | http://nuclphys.sinp.msu.ru/exotic/e08.html |
| 10 | Демонстрационная методика синтеза элементов из воды в плазме электрического разряда, Паньков В.А., к.т.н.; Кузьмин Б.П., к.т.н. Институт металлургии Уральского отделения РАН | http://model.susu.ru/transmutation/20090203.htm |
| 11 | Метод А.В. Вачаева – Н.И. Иванова | http://model.susu.ru/transmutation/0004.htm |
| 12 |
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.
1. Что такое термоядерный синтез?
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.
2. Зачем нам термоядерный синтез?
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.
3. Какие бывают термоядерные реакции?
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.
4. Что нужно для управляемой термоядерной реакции?
Удержать плазму!
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.
5. Какие реакции наиболее перспективны?
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.
6. Где провести такую реакцию?
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.
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.
7. Кто сейчас учится проводить термоядерные реакции?
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.
8. Почему мы до сих пор не пользуемся термоядерными реакторами?
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 (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.
9. Безопасны ли термоядерные реакторы?
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.
Ученые чаще всего говорят, что-то вроде “через 20 лет мы решим все принципиальные вопросы”. Инженеры из атомной индустрии говорят про вторую половину 21 века. Политики рассуждают про море чистой энергии за копейки, не утруждая себя датами.
Сотни миллионов лет назад минералы под земной поверхностью могли сохранять в себе следы загадочного вещества. Осталось только до них добраться. Больше двух десятков подземных лабораторий, разбросанных по всему миру, заняты поиском темной материи.
Ученые из институтов СО РАН, побывавшие в странах Юго-Восточной Азии, рассказывали о том, как простые продавцы рыбы на тамошних базарах с помощью нехитрой китайской "технологии" продлевали сроки хранения своего товара.
В программе ОТР "Большая наука. Великое в малом" директор Института ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН академик Павел Логачев рассказал о том, какую роль в развитии научных исследований играет "Фабрика С-тау" и чем обусловлено ее название.
