Термоядерные реакции Автор : учитель физики МОУ « СОШ » пгт. Кожва г. Печора Сучкова Елена Владимировна

Ядро урана - 235, захватив один нейтрон, разделилось на два осколка, при этом высвободилось два нейтрона. Один осколок оказался ядром ксенона – 140. Ядром какого элемента является другой осколок?

Термоядерная реакция – реакция слияния легких ядер при очень высокой температуре, сопровождающаяся выделением энергии

Синтез 4 г гелия Сгорание 2 вагонов каменного угля =

Для того, чтобы произошла реакция синтеза, исходные ядра должны попасть в сферу действия ядерных сил(сблизиться на расстояние м), преодолев силу электростатического отталкивания. Это возможно при большой кинетической энергии ядер. Для этого вещество должно иметь температуру около 100 млн. °С. Поэтому реакция названа «термоядерной»(от лат. therme-тепло). Условия протекания термоядерной реакции

1. Самоподдерживающиеся – в недрах Земли, Солнца и других звезд. 2. Неуправляемая – водородная бомба 3. Энергетически выгодна - управляемая термоядерная реакция.

Температура на поверхности Солнца достигает 6000 °С, а в центре она равна 16 млн.°С. В недрах Солнца происходит термоядерный синтез ядер гелия из ядер водорода. Излучение энергии Солнца сопровождается уменьшением его массы: ежесекундно уменьшается более чем на 4 млн. тонн. Водорода в Солнце столько, что оно может (и будет) светить с нынешней яркостью еще 5-6 млрд. лет.

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. Один из создателей водородной бомбы А.Д.Сахаров

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.

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. Вихревое электрическое поле вызывает протекание тока в плазме и её нагрев. ТОКАМАК тороидальная вакуумная камера для магнитного удержания плазмы. Разработали А.Сахаров и И.Тамм (60–е годы)

Проблемы управляемого термоядерного синтеза в ТОКАМАКе Пока удаётся получить плотность плазмы частиц на см 3 на 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. Осуществить задуманное можно 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.

Термоядерный синтез- надежда современной энергетики Термоядерный реактор будет потреблять очень небольшое количество лития и дейтерия. Например, реактор с электрической мощностью 1 ГВт будет сжигать около 100 кг дейтерия и 300 кг лития в год. Если предположить, что все термоядерные электростанции будут производить 5·10 20 Дж в год, т.е. половину будущих потребностей электроэнергии, то общее годовое потребление дейтерия и лития составят всего 1500 и 4500 тонн. При таком потреблении содержащегося в воде дейтерия (0,015%) хватит на то, чтобы снабжать человечество энергией в течение многих миллионов лет.

Международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР П роблема управляемого термоядерного синтеза настолько сложна, что самостоятельно с ней не справится ни одна страна. Поэтому мировое сообщество избрало самый оптимальный путь - создание проекта международного термоядерного экспериментального реактора - ИТЭР, в котором на сегодня участвуют, кроме России, США, Евросоюз, Япония, Китай и Южная Корея. Термоядерный реактор будет построен в Кадараше (Франция) и введен в эксплуатацию примерно в 2016 году. Именно ТОКАМАК должен стать основой первого в мире экспериментального термоядерного реактора.

Эта реакция требует более высоких температур, но является экологически чистой, поскольку выделяются не всепроникающие нейтроны, как в других ядерных реакциях, а заряженные протоны, которые несложно уловить без риска, что конструкционные материалы станут радиоактивными. Срок службы реактора значительно возрастает, конструкция упрощается, надежность возрастает. Так как протоны несут электрический заряд, возникает возможность прямого преобразования термоядерной энергии в электрическую, минуя потери на тепловое преобразование. На Земле гелия-3 всего 4 тысячи тонн. Для обеспечения России нужно приблизительно 20 тонн гелия-3 в год, для современной мировой экономики потребуется около 200 т гелия- 3 в год. Его запасы в грунте Луны составляет около 1 млн. т. Добыча гелия-3 вполне по силам космическим ведомствам уже сейчас.