9.1.8. Термоядерные реакции. Энергия звёзд. Управляемый термоядерный синтез.

9.1.8. Термоядерные реакции. Энергия звёзд. Управляемый термоядерный синтез.

С.т.3,§54; Т.§268; Д.Я.§45.9, п.8; З.Т.т.3,§69.

Реакции ядерного синтеза, то есть слияния лёгких ядер в одно ядро, сопровождаются выделением огромного количества энергии. Это объясняется тем, что удельная энергия связи у лёгких ядер меньше, чем у промежуточных, и резко увеличивается при переходе от лёгких к более тяжёлым ядрам:

Ядро
, МэВ/нукл	1,1	2,8	5,3	7,1

Для осуществления реакции синтеза, необходимо положительно заряженные ядра сблизить до расстояния ~10^-15м, при этом они должны преодолеть кулоновский потенциальный барьер, высота которого составляет ~ 0,1 МэВ. Поэтому процесс синтеза идёт с заметной интенсивностью только между лёгкими ядрами, обладающими малым положительным зарядом и только при очень высоких температурах Т~10⁹К, когда кинетическая энергия сталкивающихся ядер оказывается достаточной для преодоления кулоновского барьера. Поэтому синтез ядер называется термо ядерной реакцией.

В результате реакций синтеза выделяется очень большая энергия:

Реакции синтеза	Q, МэВ	Qуд, МэВ/нукл
+ → +	3,3	0,83
+ → +	4,0	1,0
+ → +	22,4	2,8
+ → +	17,6	3,52

В природных условиях термоядерные реакции между ядрами водорода (протонами) протекают в недрах звёзд, в частности во внутренних областях Солнца, и служат постоянным источником энергии, который определяет их излучение. Сгорание водорода в звёздах идёт с малой скоростью, но гигантские размеры и плотности звёзд обеспечивают непрерывное испускание огромных потоков энергии в течение миллиардов лет. Солнце - природный термоядерный реактор.

Искусственная термоядерная реакция впервые была осуществлена в СССР в 1953 году, а затем в США в 1954 году в виде взрыва водородной бомбы. Взрывчатым веществом в водородной бомбе является смесь дейтерия и трития, а сверхвысокая температура создаётся с помощью запала – обычной атомной бомбы, в которой осуществляется реакция ядерного деления. Мощность водородной бомбы в тысячи раз превосходит мощность атомной бомбы.

Осуществление управляемого термоядерного синтеза (УТС) в термоядерных реакторах является очень сложной и пока неразрешённой проблемой.

УТС возможен при одновременном выполнении двух условий: 1) температура плазмы Т>10⁸ К, 2) соблюдение критерия Лоусона n^.t>10¹⁴ см^-3.с, где n - плотность высокотемпературной плазмы, t - время удержания плазмы в системе.

Именно от значения этих двух критериев в основном зависит скорость протекания термоядерной реакции. Рабочее вещество при температуре Т~10⁸ К представляет собой полностью ионизированную плазму, которую необходимо теплоизолировать от стенок рабочей камеры и удерживать в ограниченном объёме в течение определённого времени. Для этой цели создаются специальные магнитные ловушки, так называемые ТОКОМАКи (тороидальные камеры с магнитными катушками). Такие установки созданы в России, США, Японии, странах ЕЭС. В настоящее время температуру плазмы удаётся поднять до Т~8 10⁷ К и удерживать её в течение t~0,1 с. Эти параметры близки к необходимым для осуществления УТС.

В настоящее время в промышленных масштабах УТС ещё не осуществлён. Однако во Франции начаты работы по строительству Интернационального Термоядерного Экспериментального Реактора (ИТЭР). Участники проекта – страны ЕЭС, Россия, Китай, США, Южная Корея, Япония. Работы планируется провести в течение 10 лет. Стоимость проекта $10 млрд. Рабочим веществом предполагается использовать смесь дейтерия и трития, а время удержания плазмы довести до t~ 200¸1000с.

Огромное значение, которое придаётся исследованиям в области УТС, объясняется рядом причин. Нарастающее загрязнение окружающей среды требует перевода промышленного производства планеты на замкнутый цикл, при котором количество отходов минимально. Но подобная реконструкция промышленности неизбежно связана с резким возрастанием энергопотребления. Между тем ресурсы минерального топлива ограничены и при сохранении существующих темпов развития энергетики будут исчерпаны на протяжении ближайших десятилетий (нефть, горючие газы) или столетий (уголь). Конечно, наилучшим вариантом было бы использование солнечной энергии, но низкая плотность мощности падающего излучения сильно затрудняет радикальное решение этой проблемы. Переход энергетики в глобальном масштабе на ядерные реакторы деления ставит сложные проблемы захоронения огромных радиоактивных отходов (альтернатива: выброс радиоактивных отходов в космос). По имеющимся оценкам, радиоактивная опасность установок на УТС должна оказаться на три порядка величины ниже, чем у реакторов деления. Если говорить о далёких прогнозах, то оптимум следует искать в сочетании солнечной энергетики и УТС.

Дата добавления: 2015-09-29