приховати рекламу

Енергія ядерного синтезу

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Мурсякаев Марат Асяатовіч, учень 10-го класу, школи № 75 м.

Чорноголова

Доповідь на конференції "Старт в науку", МФТІ, 2004.

Як відомо, ядерні перетворення можуть супроводжуватися значним виділенням енергії. Так, у ядерних реакціях синтезу гелію і тритію з ядер - ізотопів водню маємо d + t 4He + n + 17,6 МеВ,

d + d 3He + n + 3,3 МеВ,

d + dt + p + 4,0 МеВ,

p + d 3He + g + 5,5 МеВ.

Символи p, n, d, t, He, g відповідають відповідно протони, нейтрони, ядрам дейтерію, тритію, гелію і g-кванту.

Нагадаємо, що 1 МеВ = 106 еВ (електронвольт). Ядерний синтез є джерелом випромінювання Сонця (та інших зірок).

Виділення енергії в ядерних реакціях в мільйони разів перевищує енерговиділення при звичайному горінні. Зважаючи швидкого виснаження ресурсів природних джерел енергії на Землі (нафта, газ, вугілля) актуальною є проблема оволодіння ядерною енергією. Вже існуюча ядерна енергетика заснована на використанні реакцій поділу.

Необхідною умовою протікання таких реакцій є зближення ядер водню на малі відстані, порівнянні з розмірами ядер. Для цього водень нагрівають до сотень мільйонів градусів. Цей спосіб називається термоядерним. До високої температури речовина може бути підігрітий двома способами: шляхом утримання речовини в магнітних пастках або вибуховим способом, де речовина утримується за рахунок інерційних сил.

Тому проблема промислового отримання енергії за допомогою ядерних реакцій синтезу отримала назву термоядерної. В даний час відомі два способи здійснення самопідтримуваної термоядерної реакції.

1. Повільна реакція, мимовільно відбувається в надрах Сонця та інших зірок. У цьому випадку кількість реагує речовини настільки колосально, що воно утримується і сильно ущільнюється (до 100 г/см3 в центрі Сонця) гравітаційними силами.

2. Швидка реакція некерованого характеру, що відбувається при вибуху водневої бомби. В якості ядерного вибухової речовини у водневій бомбі використовуються ядра легких елементів (наприклад, ядра дейтерію і літію). Висока температура, необхідна для початку термоядерного процесу, досягається в результаті вибуху атомної бомби, яка входить до складу водневої бомби (мал. 1).

Умова існування реакції синтезу полягає в тому, щоб виділилася енергія перевищувала енергію, що буря з плазми електромагнітним і корпускулярним випромінюванням. При рівності цих величин реакція синтезу буде протікати, але генерації надлишку енергії для корисного використання відбуватися не буде. Це рівність називається умовою запалювання термоядерної реакції. В оціночному аналітичному вигляді воно вперше було отримано американським фізиком Дж.Д. Лоусоном в 1957 році і називається критерієм Лоусона:

nt ~ L (T),

де t - середній час утримання плазми в активній зоні реактора; L (T) - коефіцієнт Лоусона, що залежить від температури, типу легких ядер і втрат на випромінювання.

Дослідження показали, що критерій Лоусона повинен бути nt ~ 1014 с/см3.

Таким чином, для здійснення реакції синтезу в дейтерій-тритієвої плазмі необхідно забезпечити високу температуру (нагріти) і концентрацію іонів (стиснути) протягом певного часу (утримати). Детально розглядаються два способи вирішення проблеми УТС:

- Тривалий (t ~ 0,17 с) нагрів дейтерій-тритієвої плазми низької щільності (n ї 1014 см-3) в певному обсязі при температурі близько 108 К;

- Високошвидкісний (близько 10 - 9 с) нагрів малих обсягів конденсованого термоядерного палива (n ї 1023 см-3).

Більшість досліджень з проблеми УТС проведено з плазмою малої концентрації. Основним завданням цього напрямку є забезпечення тривалого часу утримання плазми. Для запобігання зіткнення зі стінками робочого об'єму використовуються магнітні поля різної конфігурації. З магнітних пасток в даний час фахівці вважають найбільш перспективною пастку, звану ТОКАМАК (тороїдальне камера з магнітними котушками). Не зупиняючись докладно на досягнення та проблеми токамаках, відзначимо, що в кінці 70-х років країни, що розвивають цей напрям, об'єднали свої зусилля з розробки проекту інтернаціонального термоядерного експериментального реактора. Мета реалізації цього проекту - технічна демонстрація УТС.

Другий напрямок досліджень з плазмою високої концентрації почало розвиватися вченими США та СРСР на початку 60-х років. Альтернативність цього напряму виражається в тому, що його розробники запропонували не долати величезні труднощі з утримання нестійких плазмових згустків, а створити такі умови, при яких значуща частина термоядерного палива згоріла б швидше, ніж воно розлетиться. Тимчасові параметри цього процесу визначалися інерцією паливної суміші. Цей напрямок одержав назву инерциального термоядерного синтезу (ІТС). Ідея полягала в тому, що дейтерій-тритієва суміш у конденсованому (замороженому) стані надшвидкої нагрівається до температури близько 108 К. Тривалість збереження обсягу палива визначається часом розльоту плазми, яке має порядок d / u, де d - лінійний розмір обсягу, u - середня швидкість частинок нагрітої плазми. Цей час можна прийняти за час утримання плазми, яке входить в критерій Лоусона. Тоді можна оцінити розмір d: n * d / u ~ L, звідки d ~ L "u / n. Використовуючи для дейтерій-тритієвої плазми значення L 1014 c/см3, u = 108 см / с і n = 5 * 1022 см3, отримаємо значення d = 2 мм, а час утримання t = 2 * 10 - 9 с.

На цих двох шляхах фізики домоглися приблизно однакового рівня-фізика процесів ясна, але попереду великі інженерно-технічні трудності.Помімо описаних способів існує принципово інший спосіб отримання ядерної енергії синтезу - мезонів каталіз, що дозволяє обійтися без використання високих температур. Основна ідея m-каталізу полягає в наступному. Що знаходиться у водневій середовищі, що містить ядра-ізотопи d і t, вільний мюон утворює спочатку мюонний атом (dm, tm), а потім і мезомолекулярний іон. У такому іоні завдяки його малим розмірам досить швидко протікає відповідна ядерна реакція синтезу. При цьому відбувається вивільнення мюона (якщо його не підхопить утворюється в реакції заряджене ядро) і ланцюжок описаних перетворень повторюється до моменту розпаду мюона.

У бомбах виконання умови термоядерного горіння досягли за п'ятирічку. У УТС незважаючи на десятиліття інтенсивних досліджень, практично результат до цих пір не отриманий. Тому вчені Всеросійського науково-дослідного інституту технічної фізики (РФЯЦ-ВНІІТФ) міста Снєжинська (раніше Челябінськ-70) пропонують підривати невеликі термоядерні заряди в КВС (Котли Вибухового Згорання).

Так може виглядати котел вибухового згоряння. У сталевій ємності (1) міститься кілька десятків тисяч тонн теплоносія - рідкого натрію (2). Заряд (3) збирають з окремих компонентів і опускають в ємність по каналу доставки (4). Після вибуху гарячий рідкий натрій надходить у теплообмінник (5), де виробляється водяна пара високого тиску. Пар обертає турбіну (6), поєднану з електричним генератором. Для осколків ділення (близько тонни на рік) обладнаний могильник (7); "недогоревшее" паливо (уран, плутоній) і продукти реакції (гелій-3, тритій) направляють на переробку.

У її здійсненні немає принципових проблем. Велика частина того, що потрібно для створення експериментального КВС, вже зроблена. Виробляти термоядерні вибухи дейтерію потужністю в десятки тонн і навіть одну кілотонну навчилися давно. Проблема створення надвисоких температур і тисків, необхідних для "керованих" вибухів потужністю в тонни тротилового еквівалента, при цьому знімається, оскільки горіння дейтерію ініціюється невеликим вибухом заряду, що складається з урану-233. У природі він не зустрічається, його отримують з досить поширеного у природі торію. Причому торію та урану для вибухової енергетики потрібно в тисячі разів менше, ніж для роботи АЕС тієї ж потужності. Відповідно в сотні разів зменшується кількість радіоактивних відходів, а хімічні забруднення практично відсутні.

Список літератури

1. Пономарьов Л.І. Під знаком кванта. М: Сов.Россія. 1984. 352 с.

2. Воронов Г.С. Штурм термоядерної фортеці. М.: Наука, 1985, 192 с. (Б-чка "Кванта"; вип. 37) 3. Герштейн С.С., Петров Ю.В., Пономарьов Л.І. УФН, 1990. Т.160, вип. 8. С. 3-46.

4. Карнаков Б.М. Мюонний каталіз ядерного синтезу. Соровский освітній журнал.1999. № 12. З 62-67.


Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Доповідь
16.6кб. | скачати


Схожі роботи:
Проблема ядерного стримування
Лічильники ядерного випромінювання
Осередок ядерного ураження
Розрахунок ядерного та хімічного зараження
Сліди ядерного катаклізму на Землі
Принцип роботи ядерного реактора
Характеристика уражаючих факторів ядерного вибуху
Діагностика за допомогою ядерного магнітного резонансу
Захист продовольства і фуражу від ядерного ураження
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru