Енергія ядерного синтезу

Энергия ядерного синтеза

Мурсякаев Марат Асяатович, учень 10-го класу, школи № 75 р.

Черноголовка Доклад на конференції «Старт до науки », МФТІ, 2004.

Как відомо, ядерні перетворення можуть супроводжуватися значним виділенням енергії. Так, в ядерних реакціях синтезу гелію і тритію з ядер — ізотопів водню маємо d + t 4He + n + 17,6 МэВ,.

d + d 3He + n + 3,3 МэВ,.

d + d t + p + 4,0 МэВ,.

p + d 3He + g + 5,5 МэВ.

Символы p, n, d, t, He, g відповідають відповідно протону, нейтрону, ядрам дейтерію, тритію, гелію і g-кванту.

Напомним, що 1 МэВ = 106 еВ (электронвольт). Ядерний синтез є джерелом випромінювання Сонця (та інших зірок).

Выделение енергії в ядерних реакціях мільйони разів перевищує енерговиділення при звичайному горінні. Через швидкого виснаження ресурсів природних джерел енергії на Землі (нафту, газ, вугілля) попереду стоїть проблема оволодіння ядерної енергією. Вже існуюча ядерна енергетика полягає в використанні реакцій розподілу.

Необходимым умовою перебігу таких реакцій є зближення ядер водню малі відстані, можна з розмірами ядер. І тому водень нагрівають до сотень мільйонів градусів. Такий спосіб називається термоядерних. До високої температури речовина то, можливо нагріто двома шляхами: шляхом утримання речовини в магнітних пастки або вибуховим способом, де речовина утримується рахунок інерційних сил.

Поэтому проблема промислового отримання енергії з допомогою ядерних реакцій синтезу отримав назву термоядерної. Нині відомі два способу здійснення самоподдерживающейся термоядерної реакції.

1. Повільна реакція, спонтанно що відбувається у надрах Сонця та інших зірок. У цьому вся разі кількість реагує речовини настільки колосально, що його утримується і дуже ущільнюється (до 100 г/см3 у центрі Сонця) гравітаційними силами.

2. Швидка реакція некерованого характеру, що відбувається вибухом водневої бомби. У ролі ядерного вибухової речовини у водневій бомбі використовуються ядра легких елементів (наприклад, ядра дейтерію і літію). Висока температура, необхідна спершу термоядерного процесу, буває у результаті створення атомної бомби, що входить у склад водневої бомби (рис. 1).

Условие існування реакції синтезу у тому, щоб выделившаяся енергія перевищувала енергію, уносимую з плазми електромагнітним і корпускулярним випромінюванням. При рівність цих величин реакція синтезу буде протікати, але генерації надлишку енергії для корисного використання відбуватися нічого очікувати. Це рівність називається умовою запалювання термоядерної реакції. У оцінковому аналітичному вигляді воно було вперше отримано американським фізиком Дж.Д. Лоусоном в 1957 року і називається критерієм Лоусона:

nt ~ L (T),.

где t — середнє час утримання плазми в активної зоні реактора; L (T) — коефіцієнт Лоусона, залежить від температури, типу легких ядер і розмір втрат на випромінювання.

Исследования показали, що критерій Лоусона може бути nt ~ 1014 с/см3.

Таким чином, реалізації реакції синтезу в дейтерий-тритиевой плазмі необхідно забезпечити високої температури (нагріти) і концентрацію іонів (стиснути) протягом часу й (утримати). Детально розглядаються два способу розв’язання проблеми КТС:

— тривалий (t ~ 0,17 з) нагрівання дейтерий-тритиевой плазми низької густини (n ї 1014 див- 3) в певному об'ємі за нормальної температури порядку 108 До;

— високошвидкісної (близько 20- 9 з) нагрівання малих обсягів конденсованого термоядерне паливо (n ї 1023 див- 3).

Большинство досліджень з проблемі КТС проведено з плазмою малої концентрації. Основний завданням цього напряму є забезпечення багато часу утримання плазми. Щоб запобігти дотику зі стінками робочого обсягу використовуються магнітні поля різної конфігурації. З магнітних пасток в час однак фахівці вважають найперспективнішої пастку, звану ТОКАМАКом (тороидальная камера з магнітними котушками). Без упину докладно на досягненнях та проблеми ТОКАМАКов, відзначимо, що наприкінці 1970;х років країни, розвиваючі цей напрям, об'єднали свої зусилля з розробки проекту інтернаціонального термоядерного експериментального реактора. Мета реалізації проекту — технічна демонстрація КТС.

Второе напрям досліджень з плазмою високої концентрації почав розвиватися вченими навіть СРСР на початку 1960;х років. Альтернативність цього напряму виявляється у тому, що його розробники запропонували не долати великі труднощі стримування нестійких плазмових згустків, а створити такі умови, у яких значуща частина термоядерне паливо згоріла б швидше, чим він розлетиться. Тимчасові параметри цього процесу визначалися інерцією паливної суміші. Цей новий напрям одержало назву инерциального термоядерного синтезу (ІТС). Ідея полягала у тому, що дейтерий-тритиевая суміш в конденсированном (замороженому) стані сверхбыстро нагрівається до температури порядку 108 До. Тривалість збереження обсягу палива визначається часом розльоту плазми, що має порядок d / u, де d — лінійний розмір обсягу, u — середня швидкість частинок нагрітої плазми. Це час можна взяти під час утримання плазми, яке входить у критерій Лоусона. Тоді можна оцінити розмір d: n * d / u ~ L, звідки d ~ L «u / n. Використовуючи для дейтерий-тритиевой плазми значення L 1014 c/см3, u = 108 см/с і n = 5 * 1022 см³, одержимо значення d = 2 мм, а час утримання t = 2 * 10- 9 з.

На цих двох шляхах фізики домоглися приблизно однакового рівняфізика процесів зрозуміла, але попереду великі інженерно-технічні трудности. Помимо описаних способів існує принципово інший шлях отримання ядерної енергії синтезу — мезонный каталіз, дозволяє уникнути використання високих температур. Основна ідея m-катализа ось у чому. Прем'єр, перебуваючи у водневій середовищі, що містить ядра-изотопы d і t, вільний мюон утворює спочатку мюонний атом (dm, tm), а потім і кільця мезомолекулярный іон. У цьому іоні завдяки одній його малим розмірам досить швидко протікає відповідна ядерна реакція синтезу. У цьому відбувається вивільнення мюона (якщо їх підхопить образующееся у реакції заряджене ядро) і ланцюжок описаних перетворень повторюється досі розпаду мюона.

В бомбах виконання умови термоядерного горіння досягли за п’ятирічку. У КТС незважаючи не на десятиріччя інтенсивних досліджень, практично результат досі не отримано. Тому вчені Всеросійського науково-дослідного інституту технічної фізики (РФЯЦ-ВНИИТФ) міста Снежинска (раніше Челябинск-70) пропонують підривати невеликі термоядерні заряди в КВС (Казани Вибухової Згоряння) .

.

Так може виглядати казан вибухового згоряння. У сталевої ємності (1) міститься кілька десятків тисяч тонн теплоносія — рідкого натрію (2). Заряд (3) збирають із окремих компонентів і опускають в ємність на каналі доставки (4). Після вибуху гарячий рідкий натрій вступає у теплообмінник (5), де його випущено водяний пар високого тиску. Пара обертає турбіну (6), сполучений з електричним генератором. Для осколків розподілу (порядку тонни на рік) обладнаний могильник (7); «недогоревшее «паливо (уран, плутоній) і продукти реакції (гелій-3, тритій) направляють у переробку.

В її здійсненні немає проблем. Більшість те, що треба задля створення експериментального КВС, вже зроблено. Виробляти термоядерні вибухи дейтерію потужністю десятки тонн і навіть одну килотонну навчилися давно. Проблема створення надвисоких температур і тисків, необхідні «керованих «вибухів потужністю тонни тротилового еквівалента, при цьому знімається, оскільки горіння дейтерію ініціюється невеликим вибухом заряду, що складається з урана-233. У природі не зустрічається; його отримують з досить поширеного у природі торію. Причому торію і урану для вибуховий енергетики потрібно на тисячі разів менше, ніж до роботи АЕС тієї ж потужності. Відповідно, у в сотні разів зменшується кількість радіоактивних відходів, а хімічні забруднення немає.

Список литературы

1. Пономарьов Л. И. Під знаком кванта. М: Сов.Россия. 1984. 352 с.

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

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