Главная » Компьютеры » Система для исследования проблемы управляемого термоядерного синтеза. Проблемы управления термоядерным синтезом (УТС)

Система для исследования проблемы управляемого термоядерного синтеза. Проблемы управления термоядерным синтезом (УТС)

1. Введение

2. Термоядерные реакции на Солнце

3. Проблемы управления термоядерным синтезом

3.1 Экономические проблемы

3.2 Медицинские проблемы

4. Заключение

5. Список литературы

1. Введение

Проблема управляемоготермоядерного синтеза - одна из важнейших задач, стоящих перед человечеством.

Человеческая цивилизацияне может существовать, а тем более развиваться без энергии. Все хорошопонимают, что освоенные источники энергии, к сожалению, могут скоро истощиться.По данным Мирового энергетического совета, разведанных запасов углеводородноготоплива на Земле осталось на 30 лет.

Сегодня основнымиисточниками энергии служат нефть, газ и уголь.

По оценкам специалистов,запасы этих ископаемых на исходе. Почти не осталось разведанных, годных косвоению месторождений нефти и уже наши внуки могут столкнуться с оченьсерьезной проблемой нехватки энергии.

Наиболее обеспеченныетопливом атомные электростанции могли бы, конечно, еще не одну сотню летснабжать человечество электроэнергией.

Объектисследования: Проблемыуправляемого термоядерного синтеза.

Предметисследования: Термоядерный синтез.

Цельисследования: Решить проблему управления термоядернымсинтезом;

Задачиисследования:

· Изучитьвиды термоядерных реакций.

· Рассмотретьвсе возможные варианты донесения энергии, выделявшийся во время термоядернойреакции, до человека.

· Выдвинутьтеорию о преобразования энергии в электричество.

Исходныйфакт:

Ядернаяэнергия выделяется при распаде или синтезе атомных ядер. Любая энергия - физическая, химическая, или ядерная проявляется своей способностью выполнятьработу, излучать высокую температуру или радиацию. Энергия в любой системевсегда сохраняется, но она может быть передана другой системе или изменена поформе.

Достижению условий управляемого термоядерного синтеза препятствуют несколькоосновных проблем:

· Во-первых, нужно нагреть газ до очень высокой температуры.

· Во-вторых, необходимо контролировать количество реагирующих ядер втечение достаточно долгого времени.

· В-третьих, количество выделяемой энергии должно быть больше, чем былозатрачено для нагревания и ограничения плотности газа.

· Следующая проблема – накопление этой энергии и преобразование её вэлектричество

2. Термоядерныереакции на Солнце

Что являетсяисточником солнечной энергии? Какова природа процессов, в ходе которыхпроизводится огромное количество энергии? Сколько времени будет еще светить Солнце?

Первыепопытки ответить на эти вопросы были сделаны астрономами в середине ХIX века,после формулирования физиками закона сохранения энергии.

Роберт Майерпредположил, что Солнце светит за счет постоянной бомбардировки поверхностиметеоритами и метеорными частицами. Эта гипотеза была отвергнута, так какпростой расчет показывает, что для поддержания светимости Солнца на современномуровне необходимо, чтобы на него за каждую секунду выпадало 2∙1015кг метеорного вещества. За год это составит 6∙1022 кг, а завремя существования Солнца, за 5 миллиардов лет – 3∙1032 кг.Масса Солнца М/> = 2∙1030кг, поэтому за пять миллиардов лет на Солнце должно было выпасть вещества в 150раз больше массы Солнца.

Втораягипотеза была высказана Гельмгольцем и Кельвином также в середине ХIX века. Онипредположили, что Солнце излучает за счет сжатия на 60–70 метров ежегодно.Причина сжатия – взаимное притяжение частиц Солнца, именно поэтому даннаягипотеза получила название />контракционной . Еслисделать расчет по данной гипотезе, то возраст Солнца будет не больше 20 миллионовлет, что противоречит современным данным, полученным по анализу радиоактивногораспада элементов в геологических образцах земного грунта и грунта Луны.

Третьюгипотезу о возможных источниках энергии Солнца высказал Джеймс Джинс в началеХХ века. Он предположил, что в недрах Солнца содержатся тяжелые радиоактивныеэлементы, которые самопроизвольно распадаются, при этом излучается энергия.Например, превращение урана в торий и затем в свинец, сопровождается выделениемэнергии. Последующий анализ этой гипотезы также показал ее несостоятельность;звезда, состоящая из одного урана, не выделяла бы достаточно энергии дляобеспечения наблюдаемой светимости Солнца. Кроме того, существуют звезды, посветимости во много раз превосходящие светимость нашей звезды. Маловероятно,что в тех звездах запасы радиоактивного вещества будут также больше.

Самойвероятной гипотезой оказалась гипотеза синтеза элементов в результате ядерныхреакций в недрах звезд.

В 1935 году ХансБете выдвинул гипотезу, что источником солнечной энергии может быть термоядернаяреакция превращения водорода в гелий. Именно за это Бете получил Нобелевскуюпремию в 1967 году.

Химическийсостав Солнца примерно такой же, как и у большинства других звезд. Примерно 75 %– это водород, 25 % – гелий и менее 1 % – все другие химические элементы (восновном, углерод, кислород, азот и т.д.). Сразу после рождения Вселенной «тяжелых»элементов не было совсем. Все они, т.е. элементы тяжелее гелия и даже многиеальфа-частицы, образовались в ходе «горения» водорода в звездах притермоядерном синтезе. Характерное время жизни звезды типа Солнца десятьмиллиардов лет.

Основнойисточник энергии – протон-протонный цикл – очень медленная реакция (характерноевремя 7,9∙109 лет), так как обусловлена слабымвзаимодействием. Ее суть состоит в том, что из четырех протонов получается ядрогелия. При этом выделяются пара позитронов и пара нейтрино, а также 26,7 МэВэнергии. Количество нейтрино, излучаемое Солнцем за секунду, определяетсятолько светимостью Солнца. Поскольку при выделении 26,7 МэВ рождается 2 нейтрино,то скорость излучения нейтрино: 1,8∙1038 нейтрино/с. Прямаяпроверка этой теории – наблюдение солнечных нейтрино. Нейтрино высоких энергий(борные) регистрируются в хлор-аргонных экспериментах (эксперименты Дэвиса) иустойчиво показывают недостаток нейтрино по сравнению с теоретическим значениемдля стандартной модели Солнца. Нейтрино низких энергий, возникающиенепосредственно в рр-реакции, регистрируются в галлий-германиевых экспериментах(GALLEX в Гран Сассо (Италия – Германия) и SAGE на Баксане (Россия – США)); ихтакже «не хватает».

По некоторымпредположениям, если нейтрино имеют отличную от нуля массу покоя, возможныосцилляции (превращения) различных сортов нейтрино (эффект Михеева – Смирнова –Вольфенштейна) (существует три сорта нейтрино: электронное, мюонное и тауонноенейтрино). Т.к. другие нейтрино имеют гораздо меньшие сечения взаимодействия свеществом, чем электронное, наблюдаемый дефицит может быть объяснен, не меняястандартной модели Солнца, построенной на основе всей совокупностиастрономических данных.

Каждуюсекунду Солнце перерабатывает около 600 миллионов тонн водорода. Запасовядерного топлива хватит еще на пять миллиардов лет, после чего оно постепеннопревратится в белый карлик.

Центральныечасти Солнца будут сжиматься, разогреваясь, а тепло, передаваемое при этомвнешней оболочке, приведет к ее расширению до размеров, чудовищных по сравнениюс современными: Солнце расширится настолько, что поглотит Меркурий, Венеру ибудет тратить «горючее» в сто раз быстрее, чем в настоящее время. Этоприведет к увеличению размеров Солнца; наша звезда станет красным гигантом,размеры которого сравнимы с расстоянием от Земли до Солнца!

Мы, конечно,будем заранее поставлены в известность о таком событии, поскольку переход кновой стадии займет примерно 100–200 миллионов лет. Когда температурацентральной части Солнца достигнет 100 000 000 К, начнет сгорать и гелий,превращаясь в тяжёлые элементы, и Солнце вступит в стадию сложных циклов сжатияи расширения. На последней стадии наша звезда потеряет внешнюю оболочку,центральное ядро будет иметь невероятно большую плотность и размеры, как уЗемли. Пройдет еще несколько миллиардов лет, и Солнце остынет, превратившись вбелый карлик.

3.Проблемы управляемого термоядерного синтеза

Исследователи всехразвитых стран связывают надежды на преодоление грядущего энергетическогокризиса с управляемой термоядерной реакцией. Такая реакция - синтез гелия издейтерия и трития - миллионы лет протекает на Солнце, а в земных условиях еевот уже пятьдесят лет пытаются осуществить в гигантских и очень дорогихлазерных установках, токамаках (устройство для осуществления реакции термоядерного синтеза в горячейплазме) и стеллараторах(замкнутая магнитнаяловушка для удержания высокотемпературной плазмы). Однако есть и другие пути решения этой непростойзадачи, и вместо огромных токамаков для осуществления термоядерного синтезаможно будет, вероятно, использовать довольно компактный и недорогой коллайдер - ускоритель на встречных пучках.

Для работы Токамака необходимоочень небольшое количество лития и дейтерия. Например, реактор с электрическоймощностью 1 ГВт сжигает около 100 кг дейтерия и 300 кг лития в год. Если предположить, что все термоядерные электростанции будут производить 10 трлн.кВт/ч электроэнергии в год, то есть столько же, сколько сегодня производят всеэлектростанции Земли, то мировых запасов дейтерия и лития хватит на то, чтобыснабжать человечество энергией в течение многих миллионов лет.

Кроме слияния дейтерия илития возможен чисто солнечный термояд, когда соединяются два атома дейтерия. Вслучае освоения этой реакции энергетические проблемы будут решены сразу инавсегда.

В любом из известныхвариантов управляемого термоядерного синтеза (УТС) термоядерные реакции немогут войти в режим неконтролируемого нарастания мощности, следовательно, такимреакторам не присуща внутренняя безопасность.

С физической точки зрениязадача формулируется несложно. Для осуществления самоподдерживающейся реакцииядерного синтеза необходимо и достаточно соблюсти два условия.

1. Энергия, участвующих вреакции ядер, должна составлять не менее 10 кэВ. Чтобы пошел ядерный синтез,участвующие в реакции ядра должны попасть в поле ядерных сил, радиус действиякоторых 10-12-10-13 с.см. Однако атомные ядра обладают положительнымэлектрическим зарядом, а одноименные заряды отталкиваются. На рубеже действияядерных сил энергия кулоновского отталкивания составляет величину порядка 10кэВ. Чтобы преодолеть этот барьер, ядра при столкновении должны иметькинетическую энергию, по крайней мере не меньше данной величины.

2. Произведениеконцентрации реагирующих ядер на время удержания, в течение которого онисохраняют указанную энергию, должно быть не менее 1014 с.см-3. Это условие - так называемый критерий Лоусона - определяет предел энергетической выгодностиреакции. Чтобы энергия, выделившаяся в реакции синтеза, хотя бы покрываларасходы энергии на инициирование реакции, атомные ядра должны претерпеть многостолкновений. В каждом столкновении, при котором происходит реакция синтезамежду дейтерием (D) и тритием (Т), выделяется 17,6 МэВ энергии, т. е. примерно3.10-12 Дж. Если, например, на поджиг затрачивается энергия 10 МДж, то реакциябудет неубыточной, если в ней примут участие не менее 3.1018 пар D-T. А дляэтого довольно плотную плазму высокой энергии нужно удерживать в реакторедостаточно долго. Такое условие и выражается критерием Лоусона.

Если удастся одновременновыполнить оба требования, проблема управляемого термоядерного синтеза будетрешена.

Однако техническаяреализация данной физической задачи сталкивается с огромными трудностями. Ведьэнергия 10 кэВ - это температура 100 миллионов градусов. Вещество при такойтемпературе удержать в течение даже долей секунды можно только в вакууме,изолировав его от стенок установки.

Но существует и другойметод решения этой проблемы – холодный термояд. Что такое холодный термояд - это аналог «горячей» термоядерной реакции проходящий при комнатнойтемпературе.

В природе существует какминимум, два способа изменения материи внутри одной мерности континуума. Можновскипятить воду на огне, т.е. термически, а можно в СВЧ печи, т.е. частотно.Результат один – вода закипает, разница лишь в том, что частотный метод болеебыстрый. Также используется достижение сверхвысокой температуры, чтобырасщепить ядро атома. Термический способ даёт неуправляемую ядерную реакцию.Энергия холодного термояда – энергия переходного состояния. Одним из основныхусловий конструкции реактора для проведения реакции холодного термояда естьусловие его пирамидально – кристаллической формы. Другим важным условием естьналичие вращающегося магнитного и торсионного полей. Пересечение полейпроисходит в точке неустойчивого равновесия ядра водорода.

Учёные Рузи Талейархан изОк-Риджской Национальной Лаборатории, Ричард Лейхи из ПолитехническогоУниверситета им. Ренссилира и академик Роберт Нигматулин - зафиксировали влабораторных условиях холодную термоядерную реакцию.

Группа использоваламензурку с жидким ацетоном размером с два-три стакана. Сквозь жидкостьинтенсивно пропускались звуковые волны, производя эффект, известный в физикекак акустическая кавитация, следствием которой является сонолюминесценция. Вовремя кавитации в жидкости появлялись маленькие пузыри, которые увеличивалисьдо двух миллиметров в диаметре и взрывались. Взрывы сопровождались вспышкамисвета и выделением энергии т.е. температура внутри пузырьков в момент взрывадостигала 10 миллионов градусов по Кельвину, а выделяемой энергии, поутверждению экспериментаторов, достаточно для осуществления термоядерногосинтеза.

«Технически»суть реакции заключается в том, что в результате соединения двух атомовдейтерия образуется третий - изотоп водорода, известный как тритий, и нейтрон,характеризующийся колоссальным количеством энергии.

3.1 Экономическиепроблемы

При создании УТСпредполагается, что это будет крупная установка, оснащенная мощнымикомпьютерами. Это будет целый маленький город. Но в случае аварии или поломкиоборудования, работа станции будет нарушена.

Это не предусмотренонапример в современных проектах АЭС. Считается что главное их построить, а чтобудет потом не важно.

Но в случае отказа 1станции много городов останется без электроэнергии. Это можно наблюдать напримере АЭС в Армении. Вывоз радиоактивных отходов стал очень дорог. Потребованию зеленых АЭС была закрыта. Население осталось без электроэнергии,оборудование электростанции износилось, а деньги выделенные международнымиорганизациями на восстановление были растрачены.

Серьезной экономическойпроблемой является дезактивация заброшенных производств, где производиласьпереработка урана. Например «в городе Актау - собственный маленький»чернобыль". Он расположен на территориихимико-гидрометаллургического завода (ХГМЗ). Излучение гамма-фона в цехе попереработке урана (ГМЦ) местами достигает 11000 микрорентген в час, среднийуровень фона - 200 микрорентген (Обычный естественный фон от 10 до 25микрорентген в час). После остановки завода здесь вообще не проводиласьдезактивация. Значительная часть оборудования, около пятнадцати тысяч тонн,имеет уже неснимаемую радиоактивность. При этом столь опасные предметы хранятсяпод открытым небом, плохо охраняются и постоянно растаскиваются с территорииХГМЗ.

Поэтому раз не существуетвечных производств, в связи с появлением новых технологий УТС может бытьзакрыта и тогда предметы, металлы c предприятия попадут на рынок и пострадаетместное население.

В системе охлаждения УТСбудет использоваться вода. Но по данным экологов, если брать статистику по АЭС,вода из этих водоемов не пригодна для питья.

По данным экспертов,водоем полон тяжелых металлов (в частности, тория-232), и в некоторых местахуровень гамма-излучения достигает 50 - 60 микрорентген в час.

То есть сейчас, пристроительстве АЭС не предусматриваются средства, которые бы возвращалиместность в первоначальное состояние. И после закрытия предприятия никто незнает как захоронить накопившиеся отходы и очистить бывшее предприятие.

3.2 Медицинскиепроблемы

К вредным воздействиямУТС относится выработка мутантов вирусов и бактерий, вырабатывающих вредныевещества. Особенно это касается вирусов и бактерий, находящихся в телечеловека. Появление злокачественных опухолей и заболевания раком, будет скореевсего распространенным заболеванием жителей поселков, живущих рядом с УТС.Жители всегда больше страдают, так как у них нет никаких средств защиты.Дозиметры дороги, а лекарства недоступны. Отходы от УТС будут сбрасывать вреки, стравливать в воздух или закачивать в подземные пласты, что происходитсейчас на АЭС.

Помимо повреждений,проявляющихся вскоре после облучения в больших дозах, ионизирующее излучениевызывает отдаленные последствия. В основном канцерогенез и генетическиенарушения, которые могут возникнуть при любых дозах и характере облучения(разовом, хроническом, локальном).

По сообщениям от врачей,которые регистрировали заболевания работников АЭС, сначала идут сердечнососудистые заболевания(инфаркты), затем рак. Сердечная мышца истончается поддействием радиации, становиться дряблой, менее прочной. Встречаются совсемнепонятные заболевания. Например отказ работы печени. Но почему это происходит,никто из врачей до сих пор не знает. При попадании радиоактивных веществ приаварии в дыхательные пути врачи вырезают поврежденные ткани легкого и трахеи иинвалид ходит с переносным устройством, для дыхания

4. Заключение

Человечеству нужнаэнергия, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с темзапасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Конечнытакже и запасы ядерного топлива - урана и тория, из которого можно получить вреакторах-размножителях плутоний. Практически неисчерпаемы запасы термоядерноготоплива – водорода.

В1991 году впервые удалось получить существенное количество энергии - приблизительно1.7 миллион ватт в результате управляемого ядерного синтеза в Объединеннойевропейской лаборатории (Торус). В декабре 1993 года, исследователи вПринстонском университете использовали реактор типа токамак для реакциисинтеза, чтобы произвести управляемую ядерную реакцию, выделенная энергияравнялась 5.6 миллионов ватт. Однако, и в реакторе типа токамак и в лабораторииТорус затратили большее количество энергии, чем было получено.

Еслиполучение энергии ядерного синтеза станет практически доступным, то это дастбезграничный источник топлива

5. Список литературы

1)Журнал«Новый взгляд» (Физика; Для будущей элиты).

2)УчебникФизики 11 класс.

3)Академияэнергетика (аналитика; идеи; проекты).

4) Люди и атомы (Уильям Лоуренс).

5) Элементы вселенной (Сиборг иВэленс).

6) Советский ЭнциклопедическийСловарь.

7) Энциклопедия Encarta 96.

8) Астрономия- www.college.ru./astronomy.

3. Проблемы управляемого термоядерного синтеза

Исследователи всех развитых стран связывают надежды на преодоление грядущего энергетического кризиса с управляемой термоядерной реакцией. Такая реакция - синтез гелия из дейтерия и трития - миллионы лет протекает на Солнце, а в земных условиях ее вот уже пятьдесят лет пытаются осуществить в гигантских и очень дорогих лазерных установках, токамаках (устройство для осуществления реакции термоядерного синтеза в горячей плазме) и стеллараторах (замкнутая магнитная ловушка для удержания высокотемпературной плазмы). Однако есть и другие пути решения этой непростой задачи, и вместо огромных токамаков для осуществления термоядерного синтеза можно будет, вероятно, использовать довольно компактный и недорогой коллайдер - ускоритель на встречных пучках.

Для работы Токамака необходимо очень небольшое количество лития и дейтерия. Например, реактор с электрической мощностью 1 ГВт сжигает около 100 кг дейтерия и 300 кг лития в год. Если предположить, что все термоядерные электростанции будут производить 10 трлн. кВт/ч электроэнергии в год, то есть столько же, сколько сегодня производят все электростанции Земли, то мировых запасов дейтерия и лития хватит на то, чтобы снабжать человечество энергией в течение многих миллионов лет.

Кроме слияния дейтерия и лития возможен чисто солнечный термояд, когда соединяются два атома дейтерия. В случае освоения этой реакции энергетические проблемы будут решены сразу и навсегда.

В любом из известных вариантов управляемого термоядерного синтеза (УТС) термоядерные реакции не могут войти в режим неконтролируемого нарастания мощности, следовательно, таким реакторам не присуща внутренняя безопасность.

С физической точки зрения задача формулируется несложно. Для осуществления самоподдерживающейся реакции ядерного синтеза необходимо и достаточно соблюсти два условия.

1. Энергия, участвующих в реакции ядер, должна составлять не менее 10 кэВ. Чтобы пошел ядерный синтез, участвующие в реакции ядра должны попасть в поле ядерных сил, радиус действия которых 10-12-10-13 с.см. Однако атомные ядра обладают положительным электрическим зарядом, а одноименные заряды отталкиваются. На рубеже действия ядерных сил энергия кулоновского отталкивания составляет величину порядка 10 кэВ. Чтобы преодолеть этот барьер, ядра при столкновении должны иметь кинетическую энергию, по крайней мере не меньше данной величины.

2. Произведение концентрации реагирующих ядер на время удержания, в течение которого они сохраняют указанную энергию, должно быть не менее 1014 с.см-3. Это условие - так называемый критерий Лоусона - определяет предел энергетической выгодности реакции. Чтобы энергия, выделившаяся в реакции синтеза, хотя бы покрывала расходы энергии на инициирование реакции, атомные ядра должны претерпеть много столкновений. В каждом столкновении, при котором происходит реакция синтеза между дейтерием (D) и тритием (Т), выделяется 17,6 МэВ энергии, т. е. примерно 3.10-12 Дж. Если, например, на поджиг затрачивается энергия 10 МДж, то реакция будет неубыточной, если в ней примут участие не менее 3.1018 пар D-T. А для этого довольно плотную плазму высокой энергии нужно удерживать в реакторе достаточно долго. Такое условие и выражается критерием Лоусона.

Если удастся одновременно выполнить оба требования, проблема управляемого термоядерного синтеза будет решена.

Однако техническая реализация данной физической задачи сталкивается с огромными трудностями. Ведь энергия 10 кэВ - это температура 100 миллионов градусов. Вещество при такой температуре удержать в течение даже долей секунды можно только в вакууме, изолировав его от стенок установки.

Но существует и другой метод решения этой проблемы – холодный термояд. Что такое холодный термояд - это аналог "горячей" термоядерной реакции проходящий при комнатной температуре.

В природе существует как минимум, два способа изменения материи внутри одной мерности континуума. Можно вскипятить воду на огне, т.е. термически, а можно в СВЧ печи, т.е. частотно. Результат один – вода закипает, разница лишь в том, что частотный метод более быстрый. Также используется достижение сверхвысокой температуры, чтобы расщепить ядро атома. Термический способ даёт неуправляемую ядерную реакцию. Энергия холодного термояда – энергия переходного состояния. Одним из основных условий конструкции реактора для проведения реакции холодного термояда есть условие его пирамидально – кристаллической формы. Другим важным условием есть наличие вращающегося магнитного и торсионного полей. Пересечение полей происходит в точке неустойчивого равновесия ядра водорода.

Учёные Рузи Талейархан из Ок-Риджской Национальной Лаборатории, Ричард Лейхи из Политехнического Университета им. Ренссилира и академик Роберт Нигматулин - зафиксировали в лабораторных условиях холодную термоядерную реакцию.

Группа использовала мензурку с жидким ацетоном размером с два-три стакана. Сквозь жидкость интенсивно пропускались звуковые волны, производя эффект, известный в физике как акустическая кавитация, следствием которой является сонолюминесценция. Во время кавитации в жидкости появлялись маленькие пузыри, которые увеличивались до двух миллиметров в диаметре и взрывались. Взрывы сопровождались вспышками света и выделением энергии т.е. температура внутри пузырьков в момент взрыва достигала 10 миллионов градусов по Кельвину, а выделяемой энергии, по утверждению экспериментаторов, достаточно для осуществления термоядерного синтеза.

"Технически" суть реакции заключается в том, что в результате соединения двух атомов дейтерия образуется третий - изотоп водорода, известный как тритий, и нейтрон, характеризующийся колоссальным количеством энергии.

Току в сверхпроводящем состоянии равно нулю, и, следовательно, на поддержание магнитного поля будет расходоваться минимальное количество электроэнергии. 8. Сверхбыстродействующие системы. Управляемый термоядерный синтез с инерциальным удержанием Трудности, связанные с магнитным удержанием плазмы, можно в принципе обойти, если сжигать ядерное горючее за чрезвычайно малые времена, когда...

На 2004 год . Очередные переговоры по этому проекту пройдут в мае 2004 года в Вене. Реактор начнут создавать в 2006 году и планируют запустить в 2014. Принцип работы Термоядерный синтез* – это дешевый и экологически безопасный способ добычи энергии. На Солнце уже миллиарды лет происходит неуправляемый термоядерный синтез – из тяжелого изотопа водорода дейтерия образуется гелий. При этом...

Экспериментального термоядерного реактора возглавляет Е.П.Велихов. США потратив 15 миллиардов долларов вышли из этого проекта, остальные 15 миллиардов уже потрачена международными научными организациями. 2. Технические, экологические и медицинские проблемы. При работе установок управляемого термоядерного синтеза (УТС). возникают нейтронные пучки и гамма излучение, а так же возникают...

Энергии и какого качества понадобится, для того чтобы выделяемой энергии оказалось достаточно для покрытия расходов на запуск процесса энерговыделения. Этот вопрос мы обсудим ниже в связи с проблемами термоядерного синтеза. О качестве энергии лазеров В простейших случаях ограничения на преобразование энергии низкого качества в энергию высокого качества очевидны. Приведу несколько примеров из...

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Благовещенский государственный педагогический университет»

Физико-математический факультет

Кафедра общей физики

Курсовая работа

на тему: Проблемы термоядерного синтеза

по дисциплине: Физика

Исполнитель: В.С. Клетченко

Руководитель: В.А. Евдокимова

Благовещенск 2010

Введение

Проект ИТЭР

Заключение

Литература

Введение

В настоящее время человечество не может представить свою жизнь без электроэнергии. Она везде. Но традиционные способы получения электроэнергии не дешевые: только представить возведение ГЭС или реактора АЭС, то сразу становится понятно почему. Ученые 20-го века, перед лицом энергетического кризиса, нашли способ получения электроэнергии из вещества, количество которого не ограничено. Термоядерные реакции протекают при распаде дейтерия и трития. В одном литре воды содержится дейтерия столько, что при термоядерном синтезе может выделиться столько энергии, сколько получается при сжигании 350 литров бензина. То есть можно сделать вывод, что вода - это неограниченный источник энергии.

Если бы получение энергии с помощью термоядерного синтеза было бы настолько просто, как при помощи ГЭС, то человечество никогда не испытывало бы кризиса в энергетике. Для получения энергии таким способом необходима температура, эквивалентная температуре в центре солнца. Где взять такую температуру, как дорого будут стоить установки, насколько выгодна такая добыча энергии и безопасна ли такая установка? На эти вопросы будет дан ответ в настоящей работе.

Цель работы: изучение свойств и проблем термоядерного синтеза.

Термоядерные реакции и их энергетическая выгодность

Термоядерная реакция - синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который носит управляемый характер.

Известно, что ядро атома водорода представляет собой протон р. Такого водорода очень много в природе – в воздухе и в воде. Кроме этого существуют более тяжелые изотопы водорода. Ядро одного из них содержит, кроме протона р, еще и нейтрон n. Называется этот изотоп дейтерием D. Ядро другого изотопа содержит, кроме протона р два нейтрона n и называется тритерием (тритием) Т. Термоядерные реакции наиболее эффективно происходят при сверхвысоких температурах порядка 10 7 – 10 9 К. При термоядерных реакциях выделяется очень большая энергия, превышающая энергию, которая выделяется при делении тяжелых ядер. В реакции синтеза выделяется энергия, которая в расчете на 1кг вещества значительно больше энергии, выделяющейся в реакции деления урана. (Здесь под выделяющейся энергией понимается кинетическая энергия частиц, образующихся в результате реакции.) Например, при реакции слияния ядер дейтерия 1 2 D и трития 1 3 Т в ядро гелия 2 4 Не:

1 2 D + 1 3 Т → 2 4 Не + 0 1 n,

Выделяется энергия, приблизительно равная 3,5 МэВ на один нуклон. В реакциях деления энергия на один нуклон составляет около 1 МэВ.

При синтезе ядра гелия из четырех протонов:

4 1 1 p→ 2 4 Не + 2 +1 1 е,

выделяется еще большая энергия, равная 6,7 МэВ на одну частицу. Энергетическая выгодность термоядерных реакций объясняется тем, что удельная энергия связи в ядре атома гелия значительно превышает удельную энергию связи ядер изотопов водорода. Таким образом, при удачном осуществлении управляемых термоядерных реакций человечество получит новый мощный источник энергии.

Условия протекания термоядерных реакций

Для слияния легких ядер необходимо преодолеть потенциальный барьер, обусловленный кулоновским отталкиванием протонов в одноименно положительно заряженных ядрах. Для слияния ядер водорода 1 2 D их надо сблизить на расстояние r, равное приблизительно r ≈ 3 10 -15 м. Для этого нужно совершить работу, равную электростатической потенциальной энергии отталкивания П=е 2 : (4πε 0 r) ≈ 0,1 МэВ. Ядра дейтона смогут преодолеть такой барьер, если при соударении их средняя кинетическая энергия 3 / 2 kT будет равна 0,1 МэВ. Это возможно при Т=2 10 9 К. Практически температура, необходимая для протекания термоядерных реакций снижается на два порядка и составляет 10 7 К.

Температура порядка 10 7 К характерна для центральной части Солнца. Спектральный анализ показал, что в веществе Солнца, как и многих других звезд, имеется до 80% водорода и около 20% гелия. Углерод, азот и кислород составляют не более 1% массы звезд. При огромной массе Солнца (≈ 2 10 27 кг) количество этих газов достаточно велико.

Термоядерные реакции происходят на Солнце и звездах и являются источником энергии, обеспечивающим их излучение. Ежесекундно Солнце излучает энергию3,8 10 26 Дж, что соответствует уменьшению его массы на 4,3 млн. тонн. Удельное выделение энергии Солнца, т.е. выделение энергии, приходящееся на единицу массы Солнца в одну секунду, равно 1,9 10 -4 Дж/с кг. Оно весьма мало и составляет около 10 -3 % от удельного выделения энергии в живом организме в процессе обмена веществ. Мощность излучения Солнца практически не изменилась за много миллиардов лет существования Солнечной системы.

Один из путей протекания термоядерных реакций на Солнце – углеродно-азотный цикл, в котором соединение ядер водорода в ядро гелия облегчается в присутствии ядер углерода 6 12 С играющих роль катализаторов. В начале цикла быстрый протон проникает в ядро атома углерода 6 12 С и образует неустойчивое ядро изотопа азота 7 13 N с излучением γ-кванта:

6 12 С + 1 1 p→ 7 13 N + γ.

С периодом полураспада 14 минут в ядре 7 13 N происходит превращение 1 1 p→ 0 1 n + +1 0 е + 0 0 ν е и образуется ядро изотопа 6 13 С:

7 13 N→ 6 13 С + +1 0 е + 0 0 ν е.

приблизительно через каждые 32 млн. лет ядро 7 14 N захватывает протон и превращается в ядро кислорода 8 15 О:

7 14 N+ 1 1 p→ 8 15 О + γ.

Неустойчивое ядро 8 15 О с периодом полураспада 3 минуты испускает позитрон и нейтрино и превращается в ядро 7 15 N:

8 15 О→ 7 15 N+ +1 0 е+ 0 0 ν е.

Цикл завершается реакцией поглощения ядром 7 15 N протона с распадом его на ядро углерода 6 12 С и α-частицу. Это происходит приблизительно через 100 тысяч лет:

7 15 N+ 1 1 p→ 6 12 С + 2 4 Не.

Новый цикл начинается вновь с поглощением углеродом 6 12 С протона, исходящего в среднем через 13 миллионов лет. Отдельные реакции цикла отдалены во времени промежутками, которые являются по земным масштабам времени непомерно большими. Однако цикл является замкнутым и происходит непрерывно. Поэтому различные реакции цикла происходят на Солнце одновременно, начавшись в разные моменты времени.

В результате этого цикла четыре протона сливаются в ядро гелия с появлением двух позитронов и γ-излучения. К этому нужно добавить излучение, возникающее при слиянии позитронов с электронами плазмы. При образовании одного гамматома гелия выделяется 700 тысяч кВт ч энергии. Это количество энергии компенсирует потери энергии Солнца на излучение. Расчеты показывают, что количества водорода, имеющегося на Солнце, хватит на поддержание термоядерных реакций и излучения Солнца на миллиарды лет.

Осуществление термоядерных реакций в земных условиях

Осуществление термоядерных реакций в земных условиях создаст огромные возможности для получения энергии. Например, при использовании дейтерия, содержащегося в одном литре воды, в реакции термоядерного синтеза выделится столько же энергии, сколько выделится при сгорании примерно 350 литров бензина. Но если термоядерная реакция будет протекать самопроизвольно, то произойдет колоссальный взрыв, так как выделяющаяся при этом энергия очень велика.

Условия, близкие к тем, что реализуются в недрах Солнца, были осуществлены в водородной бомбе. Там происходит самоподдерживающаяся термоядерная реакция взрывного характера. Взрывчатым веществом является смесь дейтерия 1 2 D с тритием 1 3 Т. Высокая температура, необходимая для протекания реакции, получается за счет взрыва обычной атомной бомбы, помещенной внутри термоядерной.

Основные проблемы, связанные с осуществлением термоядерных реакций

В термоядерном реакторе реакция синтеза должна происходить медленно, должна быть возможность управлять ею. Изучение реакций, происходящих в высокотемпературной дейтериевой плазме, является теоретической основой получения искусственных управляемых термоядерных реакций. Основной трудностью является поддержание условий, необходимых для получения самоподдерживающейся термоядерной реакции. Для такой реакции необходимо, чтобы скорость выделения энергии в системе, где происходит реакция, была не меньше, чем скорость отвода энергии от системы. При температурах порядка 10 8 К термоядерные реакции в дейтериевой плазме обладают заметной интенсивностью и сопровождаются выделением большой энергии. В единице объема плазмы при соединении ядер дейтерия выделяется мощность 3кВт/м 3 . При температурах порядка 10 6 К мощность составляет всего лишь 10 -17 Вт/м 3 .

А как практически использовать выделяющуюся энергию? При синтезе дейтерия с тритерием основная часть выделившейся энергии (около 80%) проявляется в форме кинетической энергии нейтронов. Если вне магнитной ловушки замедлить эти нейтроны, то можно получить теплоту, а затем преобразовать ее в электрическую энергию. При реакции синтеза в дейтерии примерно 2/3 высвобожденной энергии несут заряженные частицы – продукты реакции и только 1/3 энергии – нейтроны. А кинетическую энергию заряженных частиц можно непосредственно преобразовать в электрическую энергию.

Какие же условия нужны для осуществления реакций синтеза? В этих реакциях ядра должны соединиться друг с другом. Но каждое ядро заряжено положительно, значит, между ними действуют силы отталкивания, которые определяются законом Кулона:

, r 2 Z 1 Z 2 e 2 F~

Где Z 1 e – заряд одного ядра, Z 2 e – заряд второго ядра, а e – модуль заряда электрона. Для того, чтобы соединится друг с другом, ядра должны преодолеть кулоновские силы отталкивания. Эти силы становятся очень большими, когда ядра сближаются. Наименьшими силы отталкивания будут в случае ядер водорода, имеющих наименьший заряд (Z=1). Чтобы преодолеть кулоновские силы отталкивания и соединиться ядра должны обладать кинетической энергией примерно 0,01 – 0,1 МэВ. Такой энергии соответствует температура порядка 10 8 – 10 9 К. А это больше, чем температура даже в недрах Солнца! Из-за того, что реакции синтеза происходят при очень высоких температурах, их называют термоядерными.

Термоядерные реакции могут быть источником энергии, если выделение энергии будет превосходить затраты. Тогда, как говорят, процесс синтеза будет самоподдерживающимся.

Температуру, при которой это происходит, называют температурой зажигания или критической температурой. Для реакции DT (дейтерий – тритерий) температура зажигания составляет около 45 млн. К, а для реакции DD (дейтерий – дейтерий) около 400 млн. К. Таким образом для протекания реакций DT нужны гораздо меньшие температуры, чем для реакций DD. Поэтому исследователи плазмы отдают предпочтение реакциям DT, хотя тритий в природе не встречается, а для его воспроизводства в термоядерном реакторе надо создавать особые условия.

Как же удержать плазму в какой-то установке – термоядерном реакторе – и нагреть ее так, чтобы начался процесс синтеза? Потери энергии в высокотемпературной плазме связаны главным образом с уходом тепла через стенки устройства. Плазму необходимо изолировать то стенок. С этой целью применяются сильные магнитные поля (магнитная термоизоляция плазмы). Если через столб плазмы в направлении его оси пропустить большой электрический ток, то в магнитном поле этого тока возникают силы, которые сжимают плазму в плазменный шнур, оторванный от стенок. Удержание плазмы в отрыве от стенок и борьба с различными неустойчивостями плазмы являются сложнейшими задачами, решение которых должно привести к практическому осуществлению управляемых термоядерных реакций.

Ясно, что, чем выше концентрация частиц, тем чаще они сталкиваются друг с другом. Поэтому может показаться, что для осуществления термоядерных реакций надо использовать плазму большой концентрации частиц. Однако если концентрация частиц будет такой, как концентрация молекул в газах при нормальных условиях (10 25 м -3 ), то при термоядерных температурах давление в плазме было бы колоссальным – порядка 10 12 Па. Такое давление не сможет выдержать ни одно техническое устройство! Чтобы давление составляло величину порядка 10 6 Па и соответствовало прочности материала, термоядерная плазма должна быть сильно разреженной (концентрация частиц должна быть порядка 10 21 м -3 ) .Однако в разреженной плазме соударение частиц друг с другом происходят реже. Чтобы в этих условиях могла поддерживаться термоядерная реакция, надо увеличить время пребывания частиц в реакторе. В связи с этим удержательная способность ловушки характеризуется произведением концентрации n частиц на время t их удержания в ловушке.

Оказывается, что для реакции DD

nt>10 22 м -3. с,

а для реакции DT

nt>10 20 м -3. с.

Отсюда видно, что для реакции DD при n=10 21 м -3 время удержания должно быть больше 10 с; если же n=10 24 м -3 , то достаточно, чтобы время удержания превышало 0,1 с.

Для смеси дейтерия с тритием при n=10 21 м -3 термоядерная реакция синтеза может начаться, если время удержания плазмы больше 0,1 с, а при n=10 24 м -3 достаточно, чтобы это время было больше 10 -4 с. Таким образом, при одинаковых условиях необходимое время удержания реакции DT может быть значительно меньше, чем в реакциях DD. В этом смысле реакцию DT легче осуществить, чем реакцию DD.

Осуществление управляемых термоядерных реакций в установках типа «ТОКАМАК»

Физики настойчиво ищут путей овладения энергией термоядерных реакций синтеза. Уже сейчас такие реакции реализуются в различных термоядерных установках, но выделяющаяся в них энергия еще не оправдывает затраты средств и труда. Другими словами, существующие термоядерные реакторы пока экономически не выгодны. Среди различных программ термоядерных исследований в настоящее время наиболее перспективной считается программа, основанная на реакторах типа токамак. Первые исследования кольцевых электрических разрядов в сильном продольном магнитном поле были начаты в 1955 г. под руководством советских физиков И.Н.Головина и Н.А.Явлинского. Построенная ими тороидальная установка была довольно крупной даже по современным масштабам: она была рассчитана на разряды с силой тока до 250 кА. И.Н.Головин предложил для таких установок название «токамак» (токовая камера, магнитная катушка). Это название используется физиками всего мира.

До 1968 г. исследования на токамаках развивались главным образом в Советском Союзе. Сейчас в мире более 50 установок типа токамак.

На рисунке 1 изображена типичная конструкция токамака. Продольное магнитное поле в нем создается катушками с током, охватывающими тороидальную камеру. Кольцевой ток в плазме возбуждается в камере как во вторичной обмотке трансформатора при разрядке батареи конденсаторов через первичную обмотку 2. Плазменный шнур заключен в тороидальную камеру – лайнер 4, изготовленный из тонкой нержавеющей стали толщиной в несколько миллиметров. Лайнер окружен медным кожухом 5 толщиной в несколько сантиметров. Назначение кожуха – стабилизировать медленные длинноволновые изгибы плазменного шнура.

Эксперименты на токамаках позволили установить, что время удержания плазмы (величина, характеризующая длительность сохранения плазмой необходимой высокой температуры) пропорциональна площади сечения плазменного шнура и индукции продольного магнитного поля. Магнитная индукция может быть весьма большой при использовании сверхпроводящих материалов. Другая возможность повышения времени удержания плазмы состоит в увеличении поперечного сечения плазменного шнура. Это значит, что необходимо увеличить размеры токамаков. Летом в 1975 году в Институте атомной энергии имени И.В. Курчатова вступил в строй самый крупный токамак – Т-10. В нем получены следующие результаты: температура ионов в центре шнура 0,6 – 0,8 кЭв, средняя концентрация частиц 8 . 10 19 м -3 , энергетическое время удержания плазмы 40 – 60 мс, основной параметр удержания nt~(2,4-7,2) . 10 18 м -3. с.

Более крупными установками являются так называемые демонстрационные токамаки, которые вступили в строй до 1985 года. Токамаком такого типа является Т-20. Он имеет весьма внушительные размеры: большой радиус тора равен 5 метрам, радиус тороидальной камеры – 2 метра, объем плазмы – около 400 кубических метров. Целью сооружения таких установок является не только проведение физических экспериментов и исследований. Но и разработка различных технологических аспектов проблемы – выбор материалов, изучение изменения их свойств при повышенных тепловых и радиационных воздействиях и т.д. Установка Т-20 предназначена для получения реакции смеси DT. В этой установке предусматривается надежная защита от мощного рентгеновского излучения, потока быстрых ионов и нейтронов. Предполагается использовать энергию потока быстрых нейтронов (10 17 м -2. с), которые в специальной защитной оболочке (бланкете) будет замедляться, и отдавать свою энергию теплоносителю. Кроме того, если в бланкете будет содержаться изотоп лития 3 6 Li, то он под действием нейтронов будет превращаться в тритий, который в природе не существует.

Токамаки следующего поколения будут представлять собой уже опытно-промышленные термоядерные электростанции, и они в конечном счете должны будут производить электроэнергию. Предполагается, что они будут реакторами «гибридного типа», в которых бланкет будет содержать делящийся материал (уран). Под действием быстрых нейтронов в уране будет происходить реакция деления, что повысит общий энергетический выход установки.

Итак, токамаки представляют собой устройства, в которых плазма нагревается до высоких температур и удерживается. Как осуществляется в токамаках нагрев плазмы? Прежде всего, плазма в токамаке нагревается вследствие протекания электрического тока это, как говорят, омический нагрев плазмы. Но при очень высоких температурах сопротивление плазмы сильно падает и омический нагрев становится неэффективным, поэтому сейчас исследуются различные методы дополнительного повышения температуры плазмы, такие как инжекция в плазму быстрых нейтральных частиц и высокочастотный нагрев.

Нейтральные частицы не испытывают никакого действия со стороны магнитного поля, удерживающего плазму, и поэтому могут быть легко «впрыснуты», инжектированы в плазму. Если эти частицы обладают большой энергией, то, попав в плазму, они ионизуются и при столкновениях с частицами плазмы передают им часть своей энергии, и плазма нагревается. Сейчас достаточно хорошо разработаны методы получения потоков нейтральных частиц (атомов) с большой энергией. С этой целью с помощью специальных устройств – ускорителей – заряженным частицам сообщается очень большая энергия. Затем этот поток заряженных частиц специальными методами нейтрализуют. В результате получается поток высокоэнергетических нейтральных частиц.

Высокочастотный нагрев плазмы может осуществляться с помощью внешнего высокочастотного электромагнитного поля, частота которого совпадает с одной из собственных частот плазмы (условия резонанса). При выполнении этого условия частицы плазмы сильно взаимодействуют с электромагнитным полем, и происходит перекачка энергии поля в энергию плазмы (плазма нагревается).

Хотя программа токамаков считается наиболее перспективной для термоядерного синтеза, физики не прекращают исследований по другим направлениям. Так, последние достижения по удержанию плазмы в прямых системах с магнитными пробками вселяют оптимистические надежды на создание на основе таких систем энергетического термоядерного реактора.

Для устойчивого удержания плазмы с помощью описанных устройств в ловушке создаются условия, при которых магнитное поле нарастает от центра ловушки к ее периферии. Нагрев плазмы осуществляется с помощью инжекции нейтральных атомов.

Как в токамаках, так и в пробкотронах для удержания плазмы необходимо очень сильное магнитное поле. Однако существуют направления решения проблемы термоядерного синтеза, при реализации которых отпадает необходимость создания сильных магнитных полей. Это так называемые лазерный синтез и синтез с помощью релятивистских электронных пучков. Суть этих решений состоит в том, что на твердую «мишень», состоящую из замороженной смеси DT, со всех сторон направляют либо мощное лазерное излучение, либо пучки релятивистских электронов. В результате мишень должна сильно нагреваться, ионизоваться и в ней взрывным образом должна произойти реакция синтеза. Однако практическое воплощение этих идей сопряжено со значительными трудностями, в частности из-за отсутствия лазеров, обладающих необходимой мощностью. Тем не менее, в настоящее время интенсивно разрабатываются проекты термоядерного реактора на основе этих направлений.

К решению проблемы могут привести различные проекты. Ученые надеются, что, в конце концов, удастся осуществить управляемые реакции термоядерного синтеза и тогда человечество получит источник энергии на многие миллионы лет.

Проект ИТЭР

Уже в самом начале проектирования токамаков нового поколения стало ясно, насколько они сложны и дороги. Возникла естественная мысль о международном сотрудничестве. Так появился проект ИТЭР (Интернациональный Термоядерный Энергетический Реактор), в разработке которого участвуют объединение «Евратом», СССР, США и Япония. Сверхпроводящий соленоид ИТЭРа на основе нитрата олова должен охлаждаться жидким гелием при температуре 4 К или жидким водородом при 20 К. Увы, не сбылись мечты о более «теплом» соленоиде из сверхпроводящей керамики, который мог бы работать при температуре жидкого азота (73 К). Расчеты показали, что он только ухудшит систему, поскольку, кроме эффекта сверхпроводимости, свой вклад будет вносить и проводимость его медной подложки.

В соленоиде ИТЭРа запасается огромная энергия - 44 ГДж, что эквивалентно заряду около 5 т тротила. В целом электромагнитная система этого реактора по мощности и сложности на два порядка превзойдет самые крупные действующие установки. По электрической мощности он будет эквивалентен Днепрогэсу (около 3 ГВт), а его общая масса составит примерно 30 тыс. т.

Долговечность реактора определяет прежде всего первая стенка тороидальной камеры, находящаяся в самых напряженных условиях. Кроме термических нагрузок, она должна пропускать и частично поглощать мощный поток нейтронов. По расчетам, стенка из наиболее подходящих сталей сможет выдержать не более 5 – 6 лет. Таким образом, при заданной длительности работы ИТЭРа – 30 лет – стенку потребуется менять 5 – 6 раз. Для этого реактор придется почти полностью разбирать с помощью сложных и дорогих дистанционных манипуляторов - ведь только они смогут проникнуть в радиоактивную зону.

Такова цена даже опытного термоядерного реактора - чего же потребует промышленный?

Современные исследования плазмы и термоядерных реакций

Основным направлением в исследованиях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, проводимых в Институте ядерного синтеза, по-прежнему остается активное участие в разработке технического проекта международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР.

Работы эти получили новый импульс после подписания 19 сентября 1996 года Председателем правительства РФ В.С. Черномырдиным Постановления об утверждении федеральной целевой научно-технической программы "Международный термоядерный реактор ИТЭР и научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в его поддержку на 1996-1998 годы". В Постановлении подтверждены обязательства по проекту, принятые на себя Россией, и рассмотрены вопросы их ресурсного обеспечения. Группа сотрудников откомандирована для работы в центральных проектных коллективах ИТЭР в США, Японии и Германии. В рамках "домашнего" задания в Институте ведутся экспериментальные и расчетно-теоретические работы по моделированию элементов конструкций бланкета ИТЭР, разработке научной базы и технического обеспечения систем нагрева плазмы и неиндукционного поддержания тока с помощью электронно-циклотронных волн и нейтральной инжекции.

В 1996 году в ИЯС проведены стендовые испытания прототипов квазистационарных гиротронов, разрабатываемых в России для систем ЭЦР-предыонизации и нагрева плазмы ИТЭР. Ведутся макетные испытания новых методик диагностики плазмы - зондирования плазмы пучком тяжелых ионов (совместно с Харьковским физико-техническим институтом) и рефлектометрии. Изучаются проблемы обеспечения безопасности термоядерных энергетических систем и связанные с ними вопросы формирования нормативной базы. Выполнен цикл модельных расчетов механической реакции конструкций бланкета реактора на динамические процессы в плазме, такие, как срывы тока, смещения плазменного шнура и т.п. В феврале 1996 года в Москве было проведено тематическое совещание по диагностическому обеспечению ИТЭР, в котором приняли участие представители всех сторон проекта.

Уже 30 лет (с 1973 года) активно ведутся совместные работы в рамках российско (советско) - американского сотрудничества по УТС с магнитным удержанием. И в сегодняшнее трудное для российской науки время пока еще удается сохранять достигнутый в прошедшие годы научный уровень и спектр совместных исследований, ориентированных в первую очередь на физическое и научно-инженерное обеспечение проекта ИТЭР. В 1996 году специалисты Института продолжали участвовать в дейтерий-тритиевых экспериментах на токамаке TFTR в Принстонской лаборатории физики плазмы. В ходе этих экспериментов, наряду с существенными успехами по изучению механизма самонагрева плазмы образующимися в термоядерной реакции α-частицами нашла практическое подтверждение идея улучшения удержания высокотемпературной плазмы в токамаках за счет создания в центральной зоне магнитной конфигурации с так называемым обратным широм. Продолжены совместно с отделом физики плазмы компании " GeneralAtomic" взаимодополняющие исследования неиндукционного поддержания тока в плазме с помощью СВЧ-волн в диапазоне электронного циклотронного резонанса на частоте 110-140 МГц. При этом осуществлялся взаимный обмен уникальной диагностической аппаратурой. Подготовлен эксперимент по дистанционной on-line обработке в ИЯС результатов измерений на токамаке DIII-D в Сан-Диего, для чего в Москву будет передана рабочая станция «Alfa». С участием Института Ядерного Синтеза завершается создание на DIII-D мощного гиротронного комплекса, ориентированного на квазистационарный режим работы. Интенсивно ведутся совместные расчетно-теоретические работы по изучению процессов срыва тока в токамаках (одна из основных физических проблем ИТЭР на сегодняшний день) и моделированию процессов переноса с участием теоретиков Принстонской лаборатории, Техасского университета и " GeneralAtomic". Продолжается сотрудничество с Аргоннской национальной лабораторией по проблемам взаимодействия плазма-стенка и разработке перспективных малоактивируемых материалов для энергетических термоядерных реакторов.

В рамках российско-германской программы по мирному использованию атомной энергии ведется многоплановое сотрудничество с Институтом физики плазмы им. Макса Планка, Ядерным исследовательским центром в Юлихе, Штутгартским и Дрезденским техническими университетами. Сотрудники Института участвовали в разработке, а теперь и в эксплуатации гиротронных комплексов стелларатора Wendelstein W7-As и токамака ASDEX-U в Институте М. Планка. Совместно разработан численный код для обработки результатов измерений спектра энергии частиц перезарядки применительно к токамакам Т-15 и ADEX-U. Продолжены работы по анализу и систематизации опыта эксплуатации инженерных систем токамаков TEXTOR и Т-15. Для совместных экспериментов на TEXTOR подготавливается рефлектометрическая система диагностики плазмы. Существенная информация накоплена в рамках долгосрочной совместной работы с Дрезденским техническим университетом по выбору и анализу малоактивируемых материалов, перспективных для конструкций будущих термоядерных реакторов. Сотрудничество со Штутгартским университетом ориентировано на изучение технологических проблем повышения надежности гиротронов большой мощности (совместно с Институтом прикладной физики РАН РФ). Вместе с Берлинским филиалом Института М. Планка проводятся работы по совершенствованию методики использования диагностической станции WASA-2 для поверхностного анализа материалов, подвергающихся воздействию высокотемпературной плазмы. Станция была разработана специально для токамака Т-15.

По двум линиям ведется сотрудничество с Францией. Совместные экспериментальные исследования по физике сильноточных ионных источников, в частности источников отрицательных ионов водорода, и по плазменным движителям для космических аппаратов проводятся с отделом физики плазмы Ecole Polytechnique. Продолжаются совместные работы по изучению процессов скоростного сжатия проводящих цилиндрических оболочек сверхсильными магнитными полями с исследовательским центром De-Gramat. В Институте разработана и сооружается установка для получения импульсных магнитных полей субмегагауссного диапазона (на контрактной основе).

Проводятся консультации специалистов Швейцарского центра исследований в области физики плазмы Suisse Ecole Poytechnique по использованию метода электронно-циклотронного нагрева плазмы. Согласована долгосрочная программа сотрудничества по УТС с Ядерным центром Фраскати (Италия).

"Зонтиковое" соглашение о взаимном научном обмене подписано с Японским национальным центром по плазменным исследованиям (Нагойя). Выполнен ряд совместных теоретических и расчетно-теоретических исследований по механизмам переносов в плазме токамаков и вопросам удержания в стеллараторах (применительно к сооружаемому в Японии крупному гелиотрону LHD).

В Институте физики плазмы Китайской академии наук (г.Хефей) начаты полномасштабные эксперименты на сверхпроводящем токамаке НТ-7, созданном на основе нашего токамака Т-7. На контрактной основе в Институте для НТ-7 готовится несколько диагностических систем.

Специалисты Института неоднократно приглашались компанией "Самсунг" для консультирования работ по проектированию крупного сверхпроводящего токамака START, который Южная Корея планировала соорудить к 1999 году. Это крупнейшая термоядерная установка в мире к этому времени.

Институт является головной организацией по шести проектам Международного научно-технического центра ISTC (тритиевый цикл термоядерного реактора, технологическое применение ионной имплантации, плазменная диагностика, лидарная система экологического контроля атмосферы, система рекуперации для комплексов инжекционного нагрева плазмы в термоядерных системах, источники низкотемпературной плазмы для технологических целей).

Заключение

Идея создания термоядерного реактора зародилась в 1950-х годах. Тогда от нее было решено отказаться, поскольку ученые были не в состоянии решить множество технических проблем. Прошло несколько десятилетий прежде, чем ученым удалось «заставить» реактор произвести хоть сколько-нибудь термоядерной энергии.

В ходе написания курсовой работы мною были подняты вопросы по созданию и основным проблемам термоядерного синтеза, и как оказалось, создание установок для получения термоядерного синтеза – это и есть проблема, но не основная. К основным проблемам можно отнести удержание плазмы в реакторе и создание оптимальных условий: произведением концентрации n частиц на время t их удержания в ловушке и созданиям температуры, приблизительно равной температуре в центре солнца.

Несмотря на все сложности создания управляемого термоядерного синтеза, ученые не отчаиваются и ищут решения проблем, т.к. при удачном осуществлении реакции синтеза будет получен колоссальный источник энергии, во многом превосходящий любую созданную электростанцию. Запасы топлива для таких электростанций практически неисчерпаемы – дейтерий и тритий легко добываются из морской воды. Килограмм этих изотопов может выделить столько же энергии, сколько 10 млн кг органического топлива.

Будущее не сможет существовать без развития термоядерного синтеза, человечеству необходима электроэнергия, а в современных условиях нам не хватит наших запасов энергии, при получении ее из атомных и электростанций.

Литература

1. Милантьев В.П., Темко С.В. Физика плазмы: кн. для внеклас. чтения. VIII – X кл. – 2-е изд., доп. – М.: Просвещение, 1983. 160 с., ил. – (Мир знаний).

2. Свирский М.С. Электронная теория вещества: учеб. пособие для студентов физ. - мат. фак. пед. ин-тов – М.: Просвещение, 1980. – 288с., ил.

3. Цитович В.Н. Электрические свойства плазмы. М., «Знание», 1973.

4. Техника молодежи // №2/1991

5. Яворский Б.М., Селезнев Ю.А. Справочное руководство по физике. – М.: Наука. – Гл. ред. физ.- мат. лит., 1989. – 576 с., ил.

В статье рассмотрены причины, по которым до настоящего времени управляемый термоядерный синтез не нашел промышленного применения.

Когда в пятидесятых годах прошлого века Землю потрясли мощные взрывы термоядерных бомб , казалось, что до мирного использования энергии синтеза ядер осталось совсем немного: одно или два десятилетия. Для подобного оптимизма имелись и основания: с момента применения атомной бомбы до создания реактора, вырабатывающего электричество, прошло всего 10 лет.

Но задача обуздания термоядерного синтеза оказалась необычайно сложной. Десятилетия проходили одно за другим, а доступа к неограниченным запасам энергии так и не удалось получить. За это время человечество, сжигая ископаемые ресурсы, загрязнило выбросами атмосферу и перегрело ее парниковыми газами. Катастрофы в Чернобыле и на Фукусиме-1 дискредитировали ядерную энергетику.

Что же помешало освоить столь перспективный и безопасный процесс термоядерного синтеза, который навсегда мог бы снять проблему обеспечения человечества энергией?

Изначально было понятно, что для протекания реакции необходимо сблизить ядра водорода настолько плотно, чтоб ядерные силы могли образовать ядро нового элемента - гелия с выделением значительного количества энергии. Но ядра водорода отталкиваются друг от друга электрическими силами. Оценка температур и давлений, при которых начинается управляемая термоядерная реакция показала, что ни один материал не сможет устоять против подобных температур.

По тем же причинам был отвергнут и чистый дейтерий - изотоп водорода. Потратив миллиарды долларов и десятилетия времени, ученые наконец смогли зажечь термоядерное пламя на очень короткое время. Осталось научиться удерживать плазму термоядерного синтеза достаточно долго. От компьютерного моделирования необходимо было переходить к строительству реального реактора.

На этом этапе стало понятно, что усилий и средств отдельного государства не хватит для постройки и эксплуатации опытных и опытно-промышленных установок. В рамках международного сотрудничества было решено реализовать проект экспериментального термоядерного реактора стоимостью больше 14 миллиардов долларов.

Но в 1996 году США прекратила свое участие и, соответственно, финансирование проекта. Некоторое время реализация шла за счет средств Канады, Японии и Европы, но до строительства реактора дело так и не дошло.

Второй проект, тоже международный, реализуется во Франции. Длительное удержание плазмы происходит за счет специальной формы магнитного поля - в виде бутылки. Основу этого способа заложили еще советские физики. Первая установка типа «Токамак» должна дать на выходе больше энергии, чем тратится на поджиг и удержание плазмы.

К 2012 году монтаж реактора должны были закончить, но сведений об успешной эксплуатации пока нет. Возможно, экономические потрясения последних лет внесли свои коррективы и в планы ученых.

Трудности с достижением управляемого термоядерного синтеза породил множество спекуляций и ложных сообщений о так называемой «холодной» термоядерной реакции слияния ядер. При том, что никаких физических возможностей или законов до сих пор не нашли, многие исследователи утверждают о ее существовании. Ведь ставки слишком велики: от Нобелевских премий для ученых до геополитического господства государства, овладевшего подобной технологией и получившего доступ к энергетическому изобилию.

Но каждое такое сообщение оказывается преувеличенным или откровенно ложным. Серьезные ученые относятся к существованию подобной реакции со скептицизмом.

Реальные возможности овладения синтезом и начала промышленной эксплуатации термоядерных реакторов отодвигаются на середину 21 века. К этому времени удастся подобрать необходимые материалы и отработать безопасную его эксплуатацию. Поскольку подобные реакторы будут работать с плазмой очень низкой плотности, безопасность термоядерных электростанций будет гораздо выше, чем атомных станций.

Любое нарушение в зоне реакции сразу «затушит» термоядерное пламя. Но пренебрегать мерами безопасности не стоит: единичная мощность реакторов будет настолько велика, что авария даже в контурах отбора тепла может повлечь и жертвы, и загрязнение окружающей среды. Дело осталось за малым: подождать 30-40 лет и увидеть эпоху энергетического изобилия. Если доживем, конечно.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Благовещенский государственный педагогический университет»

Физико-математический факультет

Кафедра общей физики

Курсовая работа

на тему: Проблемы термоядерного синтеза

по дисциплине: Физика

Исполнитель: В.С. Клетченко

Руководитель: В.А. Евдокимова

Благовещенск 2010

Введение

Термоядерные реакции и их энергетическая выгодность

Условия протекания термоядерных реакций

Осуществление термоядерных реакций в земных условиях

Основные проблемы, связанные с осуществлением термоядерных реакций

Осуществление управляемых термоядерных реакций в установках типа «ТОКАМАК»

Проект ИТЭР

Современные исследования плазмы и термоядерных реакций

Заключение

Литература

Введение

Цель работы: изучение свойств и проблем термоядерного синтеза.

Термоядерные реакции и их энергетическая выгодность

1 2 D + 1 3 Т → 2 4 Не + 0 1 n,

При синтезе ядра гелия из четырех протонов:

4 1 1 p→ 2 4 Не + 2 +1 1 е,

Условия протекания термоядерных реакций

Для слияния легких ядер необходимо преодолеть потенциальный барьер, обусловленный кулоновским отталкиванием протонов в одноименно положительно заряженных ядрах. Для слияния ядер водорода 1 2 Dих надо сблизить на расстояние r, равное приблизительно r ≈ 3 10 -15 м. Для этого нужно совершить работу, равную электростатической потенциальной энергии отталкивания П=е 2: (4πε 0 r) ≈ 0,1 МэВ. Ядра дейтона смогут преодолеть такой барьер, если при соударении их средняя кинетическая энергия 3 / 2 kT будет равна 0,1 МэВ. Это возможно при Т=2 10 9 К. Практически температура, необходимая для протекания термоядерных реакций снижается на два порядка и составляет 10 7 К.

6 12 С + 1 1 p→ 7 13 N + γ.

7 13 N→ 6 13 С + +1 0 е + 0 0 ν е.

приблизительно через каждые 32 млн. лет ядро 7 14 N захватывает протон и превращается в ядро кислорода 8 15 О:

7 14 N+ 1 1 p→ 8 15 О + γ.

8 15 О→ 7 15 N+ +1 0 е+ 0 0 ν е.

7 15 N+ 1 1 p→ 6 12 С + 2 4 Не.

Осуществление термоядерных реакций в земных условиях

Основные проблемы, связанные с осуществлением термоядерных реакций