Проблеми термоядерного синтезу Розгляд гіпотез

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

скачати

Зміст

1. Введення

2. Термоядерні реакції на Сонці

3. Проблеми управління термоядерним синтезом

3.1 Економічні проблеми

3.2 Медичні проблеми

4. Висновок

5. Список літератури

1. Введення

Проблема керованого термоядерного синтезу - одна з найважливіших завдань, що стоять перед людством.

Людська цивілізація не може існувати, а тим більше розвиватися без енергії. Всі добре розуміють, що освоєні джерела енергії, на жаль, можуть незабаром виснажитися. За даними Всесвітньої енергетичної ради, розвіданих запасів вуглеводневої палива на Землі залишилося на 30 років.

Сьогодні основними джерелами енергії служать нафту, газ і вугілля.

За оцінками фахівців, запаси цих копалин на результаті. Майже не залишилося розвіданих, придатних до освоєння родовищ нафти і вже наші внуки можуть зіткнутися з дуже серйозною проблемою нестачі енергії.

Найбільш забезпечені паливом атомні електростанції могли б, звичайно, ще не одну сотню років забезпечувати людство електроенергією.

Об'єкт дослідження: Проблеми керованого термоядерного синтезу.

Предмет дослідження: Термоядерний синтез.

Мета дослідження: Вирішити проблему управління термоядерним синтезом;

Завдання дослідження:

  • Вивчити види термоядерних реакцій.

  • Розглянути всі можливі варіанти донесення енергії, що виділявся під час термоядерної реакції, до людини.

  • Висунути теорію про перетворення енергії в електрику.

Вихідний факт:

Ядерна енергія виділяється при розпаді або синтезі атомних ядер. Будь-яка енергія - фізична, хімічна, або ядерна проявляється своєю здатністю виконувати роботу, випромінювати високу температуру або радіацію. Енергія в будь-якій системі завжди зберігається, але вона може бути передана іншій системі або змінена за формою.

Досягненню умов керованого термоядерного синтезу перешкоджають кілька основних проблем:

  • По-перше, потрібно нагріти газ до дуже високої температури.

  • По-друге, необхідно контролювати кількість реагуючих ядер протягом досить довгого часу.

  • По-третє, кількість виділеної енергії повинно бути більше, ніж було витрачено для нагрівання та обмеження щільності газу.

  • Наступна проблема - накопичення цієї енергії і перетворення її в електрику

2. Термоядерні реакції на Сонці

Що є джерелом сонячної енергії? Яка природа процесів, в ході яких проводиться величезна кількість енергії? Скільки часу буде ще світити Сонце?

Перші спроби відповісти на ці питання були зроблені астрономами в середині ХІХ століття, після формулювання фізиками закону збереження енергії.

Роберт Майєр припустив, що Сонце світить за рахунок постійного бомбардування поверхні метеоритами і метеорними частинками. Ця гіпотеза була відкинута, оскільки простий розрахунок показує, що для підтримки світимості Сонця на сучасному рівні необхідно, щоб на нього за кожну секунду випадало 2 ∙ 10 15 кг метеорної речовини. За рік це становитиме 6 ∙ 10 22 кг, а за час існування Сонця, за 5 мільярдів років - 3 ∙ 10 32 кг. Маса Сонця М = 2 ∙ 10 30 кг, тому за п'ять мільярдів років на Сонце повинне було випасти речовини в 150 разів більше маси Сонця.

Друга гіпотеза була висловлена ​​Гельмгольцем і Кельвіном також в середині ХІХ століття. Вони припустили, що Сонце випромінює за рахунок стиснення на 60-70 метрів щорічно. Причина стиснення - взаємне притягання частинок Сонця, саме тому ця гіпотеза отримала назву контракционной. Якщо зробити розрахунок з даної гіпотези, то вік Сонця буде не більше 20 мільйонів років, що суперечить сучасним даними, отриманими з аналізу радіоактивного розпаду елементів у геологічних зразках земного грунту та грунту Місяця.

Третю гіпотезу про можливі джерела енергії Сонця висловив Джеймс Джинс на початку ХХ століття. Він припустив, що в надрах Сонця містяться важкі радіоактивні елементи, що самостійно розпадаються, при цьому випромінюється енергія. Наприклад, перетворення урану в торій і потім в свинець, супроводжується виділенням енергії. Подальший аналіз цієї гіпотези також показав її неспроможність; зірка, що складається з одного урану, не виділяла б достатньо енергії для забезпечення спостерігається світності Сонця. Крім того, існують зірки, по світності у багато разів перевершують світність нашої зірки. Малоймовірно, що в тих зірках запаси радіоактивної речовини будуть також більше.

Найімовірнішою гіпотезою виявилася гіпотеза синтезу елементів у результаті ядерних реакцій в надрах зірок.

У 1935 році Ханс Бете висунув гіпотезу, що джерелом сонячної енергії може бути термоядерна реакція перетворення водню в гелій. Саме за це Бете отримав Нобелівську премію в 1967 році.

Хімічний склад Сонця приблизно такий же, як і у більшості інших зірок. Приблизно 75% - це водень, 25% - гелій і менше 1% - всі інші хімічні елементи (в основному, вуглець, кисень, азот тощо). Відразу після народження Всесвіту "важких" елементів не було зовсім. Всі вони, тобто елементи важче гелію і навіть багато альфа-частинки, утворилися під час "горіння" водню в зірках при термоядерному синтезі. Характерне час життя зірки типу Сонця десять мільярдів років.

Основне джерело енергії - протон-протонний цикл - дуже повільна реакція (характерний час 7,9 ∙ 10 9 років), так як обумовлена ​​слабкою взаємодією. Її суть полягає в тому, що з чотирьох протонів виходить ядро гелію. При цьому виділяються пара позитронів і пара нейтрино, а також 26,7 МеВ енергії. Кількість нейтрино, випромінюване Сонцем за секунду, визначається тільки світністю Сонця. Оскільки при виділенні 26,7 МеВ народжується 2 нейтрино, то швидкість випромінювання нейтрино: 1,8 ∙ жовтня 1938 нейтрино / с. Пряма перевірка цієї теорії - спостереження сонячних нейтрино. Нейтрино високих енергій (борні) реєструються в хлор-аргонних експериментах (експерименти Девіса) і стійко показують недолік нейтрино в порівнянні з теоретичним значенням для стандартної моделі Сонця. Нейтрино низьких енергій, що виникають безпосередньо в рр-реакції, реєструються в галій-германієвих експериментах (GALLEX в Гран Сассо (Італія - Німеччина) і SAGE на Баксане (Росія - США)); їх також "не вистачає".

За деякими припущеннями, якщо нейтрино мають відмінну від нуля масу спокою, можливі осциляції (перетворення) різних сортів нейтрино (ефект Міхєєва - Смирнова - Вольфенштейна) (існує три сорти нейтрино: електронне, мюонне і тауонное нейтрино). Оскільки інші нейтрино мають набагато менші перерізу взаємодії з речовиною, ніж електронне, спостережуваний дефіцит може бути пояснений, не змінюючи стандартної моделі Сонця, побудованої на основі всієї сукупності астрономічних даних.

Кожну секунду Сонце переробляє близько 600 мільйонів тонн водню. Запасів ядерного палива вистачить ще на п'ять мільярдів років, після чого воно поступово перетвориться на білий карлик.

Центральні частини Сонця будуть стискуватися, розігріваючи, а тепло, яке передається при цьому зовнішній оболонці, призведе до її розширення до розмірів, жахливих в порівнянні з сучасними: Сонце розшириться настільки, що поглине Меркурій, Венеру і буде витрачати "пальне" в сто разів швидше, ніж в даний час. Це призведе до збільшення розмірів Сонця; наша зірка стане червоним гігантом, розміри якого можна порівняти з відстанню від Землі до Сонця!

Ми, звичайно, будемо заздалегідь повідомлені про таку подію, оскільки перехід до нової стадії займе приблизно 100-200 мільйонів років. Коли температура центральній частині Сонця досягне 100 мільйонів К, почне згоряти і гелій, перетворюючись на важкі елементи, і Сонце вступить у стадію складних циклів стиснення та розширення. На останній стадії наша зірка втратить зовнішню оболонку, центральне ядро буде мати неймовірно велику щільність і розміри, як у Землі. Мине ще кілька мільярдів років, і Сонце охолоне, перетворившись на білий карлик.

3. Проблеми керованого термоядерного синтезу

Дослідники всіх розвинених країн пов'язують надії на подолання майбутнього енергетичної кризи з керованої термоядерної реакцією. Така реакція - синтез гелію з дейтерію і тритію - мільйони років протікає на Сонці, а в земних умовах її ось уже п'ятдесят років намагаються здійснити в гігантських і дуже дорогих лазерних установках, токамаках (пристрій для здійснення реакції термоядерного синтезу в гарячій плазмі) і стелларатор ( замкнута магнітна пастка для утримання високотемпературної плазми). Однак є й інші шляхи вирішення цієї непростої задачі, і замість величезних токамаків для здійснення термоядерного синтезу можна буде, ймовірно, використовувати досить компактний і недорогий колайдер - прискорювач на зустрічних пучках.

Для роботи Токамака необхідно дуже невелика кількість літію і дейтерію. Наприклад, реактор з електричною потужністю 1 ГВт спалює близько 100 кг дейтерію і 300 кг літію в рік. Якщо припустити, що всі термоядерні електростанції вироблятимуть 10 трлн. кВт / год електроенергії на рік, тобто стільки ж, скільки сьогодні виробляють всі електростанції Землі, то світових запасів дейтерію і літію вистачить на те, щоб постачати людство енергією протягом багатьох мільйонів років.

Крім злиття дейтерію і літію можливий чисто сонячний термояд, коли з'єднуються два атоми дейтерію. У разі освоєння цієї реакції енергетичні проблеми будуть вирішені відразу і назавжди.

У будь-якому з відомих варіантів керованого термоядерного синтезу (КТС) термоядерні реакції не можуть увійти в режим неконтрольованого наростання потужності, отже, таким реакторам не притаманна внутрішня безпека.

З фізичної точки зору завдання формулюється нескладно. Для здійснення самопідтримуваної реакції ядерного синтезу необхідно і достатньо дотримати дві умови.

1. Енергія, що беруть участь в реакції ядер, повинна становити не менше 10 кеВ. Щоб пішов ядерний синтез, що беруть участь в реакції ядра повинні потрапити в поле ядерних сил, радіус дії яких 10-12-10-13 с.см. Однак атомні ядра володіють позитивним електричним зарядом, а однойменні заряди відштовхуються. На рубежі дії ядерних сил енергія кулонівського відштовхування складає величину порядку 10 кеВ. Щоб подолати цей бар'єр, ядра при зіткненні повинні мати кінетичну енергію, принаймні не менше даної величини.

2. Твір концентрації реагуючих ядер на час утримання, протягом якого вони зберігають зазначену енергію, повинно бути не менше 1014 с.см-3. Це умова - так званий критерій Лоусона - визначає межу енергетичної вигідності реакції. Щоб енергія, що виділилася в реакції синтезу, хоча б покривала витрати енергії на ініціювання реакції, атомні ядра повинні зазнати багато зіткнень. У кожному зіткненні, при якому відбувається реакція синтезу між дейтерієм (D) і тритієм (Т), виділяється 17,6 МеВ енергії, тобто приблизно 3.10-12 Дж. Якщо, наприклад, на підпал витрачається енергія 10 МДж, то реакція буде незбиткове, якщо в ній візьмуть участь не менше 3.1018 пар DT. А для цього досить щільну плазму високої енергії потрібно утримувати в реакторі досить довго. Така умова і виражається критерієм Лоусона.

Якщо вдасться одночасно виконати обидві вимоги, проблема керованого термоядерного синтезу буде вирішена.

Однак технічна реалізація даної фізичної задачі стикається з величезними труднощами. Адже енергія 10 кеВ - це температура 100 мільйонів градусів. Речовина при такій температурі утримати протягом навіть часток секунди можна тільки в вакуумі, ізолювавши його від стінок установки.

Але існує й інший метод вирішення цієї проблеми - холодний термояд. Що таке холодний термояд - це аналог "гарячої" термоядерної реакції проходить при кімнатній температурі.

У природі існує як мінімум, два способи зміни матерії всередині однієї мірності континууму. Можна закип'ятити воду на вогні, тобто термічно, а можна в СВЧ-печі, тобто частотно. Результат один - вода закипає, різниця лише в тому, що частотний метод більш швидкий. Також використовується досягнення надвисокої температури, щоб розщепити ядро атома. Термічний спосіб дає некеровану ядерну реакцію. Енергія холодного термояду - енергія перехідного стану. Одним з основних умов конструкції реактора для проведення реакції холодного термояду є умова його пірамідально - кристалічної форми. Іншою важливою умовою є наявність обертового магнітного і торсіонного поля. Перетин полів відбувається в точці нестійкої рівноваги ядра водню.

Вчені Рузі Талейархан з Ок-Ріджской Національної Лабораторії, Річард Лейхі з Політехнічного Університету ім. Ренссіліра і академік Роберт Нігматулін - зафіксували в лабораторних умовах холодну термоядерну реакцію.

Група використовувала мензурку з рідким ацетоном розміром з два-три склянки. Крізь рідина інтенсивно пропускалися звукові хвилі, виробляючи ефект, відомий у фізиці як акустична кавітація, наслідком якої є сонолюмінесценция. Під час кавітації в рідині з'являлися маленькі бульбашки, які збільшувалися до двох міліметрів у діаметрі і вибухали. Вибухи супроводжувалися спалахами світла і виділенням енергії тобто температура всередині бульбашок в момент вибуху досягала 10 мільйонів градусів за Кельвіном, а виділеної енергії, за твердженням експериментаторів, достатньо для здійснення термоядерного синтезу.

"Технічно" суть реакції полягає в тому, що в результаті з'єднання двох атомів дейтерію утворюється третій - ізотоп водню, відомий як тритій, і нейтрон, характеризується колосальною кількістю енергії.

3.1 Економічні проблеми

При створенні УТС передбачається, що це буде велика установка, оснащена потужними комп'ютерами. Це буде цілий маленьке місто. Але у випадку аварії або поломки устаткування, робота станції буде порушена.

Це не передбачено наприклад у сучасних проектах АЕС. Вважається що головне їх побудувати, а що буде потім не важливо.

Але у випадку відмови 1 станції багато міст залишиться без електроенергії. Це можна спостерігати на прикладі АЕС у Вірменії. Вивезення радіоактивних відходів став дуже доріг. На вимогу зелених АЕС була закрита. Населення залишилося без електроенергії, обладнання електростанції зносилося, а гроші виділені міжнародними організаціями на відновлення були розтрачені.

Серйозною економічною проблемою є дезактивація занедбаних виробництв, де проводилася переробка урану. Наприклад "в місті Актау - власний маленький" чорнобиль ". Він розташований на території хіміко-гідрометалургійного заводу (ХГМЗ). Випромінювання гамма-фону в цеху з переробки урану (ГМЦ) місцями досягає 11000 мікрорентген на годину, середній рівень фону - 200 мікрорентген ( звичайний природний фон від 10 до 25 мікрорентген на годину). Після зупинки заводу тут взагалі не проводилася дезактивація. Значна частина обладнання, близько п'ятнадцяти тисяч тонн, має вже не знімаються радіоактивність. При цьому настільки небезпечні предмети зберігаються під відкритим небом, погано охороняються і постійно розтягуються з території ХГМЗ.

Тому раз не існує вічних виробництв, у зв'язку з появою нових технологій УТС може бути закрита і тоді предмети, метали c підприємства потраплять на ринок і постраждає місцеве населення.

У системі охолодження УТС буде використовуватися вода. Але за даними екологів, якщо брати статистику по АЕС, вода з цих водойм не придатна для пиття.

За даними експертів, водойма сповнений важких металів (зокрема, торію-232), і в деяких місцях рівень гамма-випромінювання досягає 50 - 60 мікрорентген на годину.

Тобто зараз, при будівництві АЕС не передбачаються кошти, які б повертали місцевість в первинний стан. І після закриття підприємства ніхто не знає як захоронити накопичилися відходи і очистити колишнє підприємство.

3.2 Медичні проблеми

До шкідливих впливів УТС відноситься вироблення мутантів вірусів і бактерій, що виробляють шкідливі речовини. Особливо це стосується вірусів і бактерій, що у тілі людини. Поява злоякісних пухлин та захворювання на рак, буде швидше за все поширеним захворюванням жителів селищ, які живуть поруч з УТС. Жителі завжди більше страждають, тому що в них немає ніяких засобів захисту. Дозиметри дороги, а ліки недоступні. Відходи від УТС будуть скидати в річки, стравлювати в повітря або закачувати в підземні пласти, що відбувається зараз на АЕС.

Крім ушкоджень, що виявляються незабаром після опромінення у великих дозах, іонізуюче випромінювання викликає віддалені наслідки. В основному канцерогенез і генетичні порушення, які можуть виникнути при будь-яких дозах і характер опромінення (разовому, хронічному, локальному).

За повідомленнями від лікарів, які реєстрували захворювання працівників АЕС, спочатку йдуть серцево судинні захворювання (інфаркти), потім рак. Серцевий м'яз стоншується під дією радіації, ставати в'ялою, менш міцною. Зустрічаються зовсім незрозумілі захворювання. Наприклад відмова роботи печінки. Але чому це відбувається, ніхто з лікарів до цих пір не знає. При попаданні радіоактивних речовин при аварії в дихальні шляхи лікарі вирізають пошкоджені тканини легені і трахеї і інвалід ходить з переносним пристроєм, для дихання

4. Висновок

Людству потрібна енергія, причому потреби в ній збільшуються з кожним роком. Разом з тим запаси традиційних природних палив (нафти, вугілля, газу та ін) кінцеві. Кінцеві також і запаси ядерного палива - урану і торію, з якого можна отримати в реакторах плутоній. Практично невичерпні запаси термоядерного палива - водню.

У 1991 році вперше вдалося отримати істотну кількість енергії - приблизно 1.7 мільйон ват в результаті керованого ядерного синтезу в Об'єднаній європейській лабораторії (Торус). У грудні 1993 року, дослідники в Прінстонському університеті використовували реактор типу токамак для реакції синтезу, щоб справити керовану ядерну реакцію, виділена енергія дорівнювала 5.6 мільйонів ват. Однак, і в реакторі типу токамак і в лабораторії Торус витратили більшу кількість енергії, ніж було отримано.

Якщо отримання енергії ядерного синтезу стане практично доступним, то це дасть безмежний джерело палива

5. Список літератури

1) Журнал "Новий погляд" (Фізика; Для майбутньої еліти).

2) Підручник Фізики 11 клас.

3) Академія енергетика (аналітика; ідеї; проекти).

4) Люди й атоми (Вільям Лоуренс).

5) Елементи всесвіту (Сіборг і Веленс).

6) Радянський Енциклопедичний Словник.

7) Енциклопедія Encarta 96.

8) Астрономія-http: / / www. College. Ru. / Astronomy.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Реферат
48.9кб. | скачати


Схожі роботи:
Проблеми термоядерного синтезу
Доля термоядерного синтезу
Формальнокінетіческій аналіз гіпотез
Дискримінація гіпотез за кінетичними експериментів
Огляд гіпотез походження слов`ян
Аналіз гіпотез виникнення Землі і Сонячної системи
Методи оцінювання параметрів та перевірка статистичних гіпотез
Про роль експерименту в розробці наукових гіпотез походження життя
Енергія ядерного синтезу
© Усі права захищені
написати до нас