Reakcje jądrowe pomiędzy lekkimi jądrami atomowymi zachodzące w bardzo wysokich temperaturach (10 7 10 8 K) nazywane są reakcjami termojądrowymi. W tych reakcjach jądra doświadczające wzajemnego odpychania kulombowskiego są w stanie, po pokonaniu odpowiedniej bariery elektrostatycznej (ryc. 1), zbliżyć się na odległość rzędu promienia działania jądrowych sił przyciągania i wpadając w głęboki potencjał dobrze uformowani przez nich, aby przeprowadzić taką lub inną egzoenergetyczną (tj. wraz z uwolnieniem energii) restrukturyzację jądrową. Przez „uwolnienie energii” rozumie się uwolnienie nadmiaru energii kinetycznej w produktach reakcji, równej wzrostowi całkowitej energii wiązania. Zatem stosunkowo luźne jądra przestawiają się w ściślej związane, a ponieważ jądra o najwyższej energii wiązania na nukleon znajdują się w środkowej części układu okresowego Mendelejewa, najbardziej typowym mechanizmem reakcji egzoenergetycznej jest połączenie(fuzja) najlżejszych jąder w cięższe. Chociaż istnieją również egzoenergetyczne reakcje rozszczepienia lekkich jąder. Na przykład ze względu na szczególną siłę jądra 4 He reakcja
Opisane powyżej procesy nazywane są reakcjami syntezy jądrowej (NF).
Ze względu na mechanizm pokonywania bariery kulombowskiej reakcje jądrowe można podzielić na dwie główne klasy: przyspieszenie lub silne ogrzewanie; B - reakcje tzw. zimnej fuzji, które stają się możliwe w wyniku silnego zniekształcenia samej bariery - przede wszystkim jej zwężenia, w wyniku "odcięcia" zewnętrznej, najszerszej części.
Reakcje klasy A mogą zachodzić albo w jakimś akceleratorze, albo w wysokotemperaturowej plazmie wnętrz gwiazd, wybuchu jądrowym, potężnym wyładowaniu gazowym, albo w plazmie materii podgrzanej gigantycznym impulsem promieniowania laserowego, bombardowanej intensywną wiązką cząstek itp.
Reakcje typu B są wynikiem takich zjawisk jak:
Niesłabnące zainteresowanie reakcjami jądrowymi, a przede wszystkim reakcjami termojądrowymi wynika z faktu, że są one:
- główne źródło Słońca i gwiazd oraz mechanizm przedgwiazdowych i gwiezdnych procesów syntezy jąder atomowych pierwiastków chemicznych;
– jeden z fizycznych fundamentów wybuchu jądrowego i broni (termo-)jądrowej;
- podstawy kontrolowanej syntezy termojądrowej (CTF) - obiecującego ekonomicznie i ekologicznie kierunku w energetyce przyszłości.
Tabela 1 zawiera listę reakcji interesujących dla CTS.
Tabela 1
Reakcje egzoenergetyczne między lekkimi jądrami
|
uwalnianie energii, |
(w obszarze energetycznym |
Energia padających cząstek, odp. , MeV |
||
|
0,16 przy 2 MeV | ||||
|
0,69 przy 1,2 MeV |
P – proton, d– deuteron (jądro deuteru 2 H), t– tryton (jądro trytu 3 H), n- neutron, mi + - pozyton, ν - nittrino, γ - foton. Rozkład energii między produktami reakcji jest zwykle odwrotnie proporcjonalny do ich mas.
Analizując wyniki, należy pamiętać, że przekrój poprzeczny σ każdej z reakcji jest, mówiąc z grubsza, iloczynem przekroju poprzecznego przejścia przez barierę kulombowską i prawdopodobieństwa późniejszej przemiany jądrowej. Pierwszy czynnik „kulombowski” jest z natury uniwersalny dla wszystkich reakcji termojądrowych. wysokość bariery mi δ
gdzie i są ładunki jądrowe, i R jest sumą ich „promieni”. Nawet dla kombinacji jąder o najmniejszym , np. 200 keV. Średnia energia cząstek dla plazmy wnętrz gwiazd lub współczesnych kierunków CTS, gdzie temperatury (10 7 10 8) K są najbardziej typowe, wynosi około (110) keV. W konsekwencji pokonanie bariery potencjalnej ma z reguły charakter tunelu, co więcej, przejścia głęboko pod barierą. Prawdopodobieństwo tunelowania, gdy energia względna mi zderzających się jąder jest znacznie mniejsza niż wysokość bariery (), można opisać graniczną postacią znanego wykładnika, a mianowicie:
gdzie jest względna prędkość jąder,
to ich masa zredukowana.
Drugi czynnik, „jądrowy”, który określa podstawowy porządek przekroju poprzecznego reakcji termojądrowej, jest specyficzny dla każdej konkretnej reakcji. Zatem dla reakcji z utworzeniem najsilniej związanego jądra 4He jest ono duże i zwykle rezonansowo zależy od energii. Dotyczy to na przykład reakcji 7 i 10, które są najważniejsze dla CTS, oraz jednej z hipotetycznie obiecujących „czystych”, tj. bez reakcji neutronowych, reakcji 20. Dla reakcji wywołanych oddziaływaniem słabym niezwykle mały. Na przykład reakcja 1, która ma fundamentalne znaczenie dla wyzwolenia energii Słońca, w ogóle nie została zaobserwowana bezpośrednio (w laboratorium).
Intensywność reakcji termojądrowej zależy od gęstości plazmy i temperatury. Zależność gęstości jest określona przez fakt, że reakcje zachodzą w wyniku zderzeń parami między jądrami. Liczba reakcji na jednostkę objętości w jednostce czasu wynosi , gdzie n 1 , n 2 – koncentracje ziarniaków rodzaju 1 i 2; nawiasy ostrokątne oznaczają uśrednianie rozkładu prędkości względnych , co jest dalej uważane za maxwellowskie. W obszarze „niezbyt wysokich” temperatur T ≤ (10 7 ÷10 8)K i przy braku rezonansu można w przybliżeniu wyrazić w postaci uniwersalnej dla wszystkich reakcji nierezonansowych:
gdzie jest stałą charakterystyką tej reakcji. Ta formuła jest ważna tylko dla dużych (1) wartości wykładnika. Wynikająca z tego zależność temperaturowa jest sama w sobie wystarczająco silna, ale wciąż nie tak ostra, jak na przykład typowa zależność tempa reakcji chemicznych od temperatury.
Reakcje termojądrowe to egzotermiczne reakcje syntezy lekkich jąder, przebiegające wydajnie w ultrawysokich temperaturach (rzędu 10 7 - 10 9 K), samokontynuujące się dzięki znacznemu uwolnieniu w nich energii. Wysokie temperatury w nich są niezbędne, aby energia kinetyczna ruchu termicznego jąder była wystarczająca do pokonania kulombowskiej bariery potencjału jąder, zbliżenia się na odległość rzędu działania sił jądrowych, a następnie zainicjowania syntezy jądrowej reakcja, której towarzyszy uwolnienie energii w postaci nadmiaru energii kinetycznej produktów reakcji.
Podczas syntezy lekkich jąder i tworzenia nowego jądra powinna zostać uwolniona duża ilość energii. Można to zobaczyć na krzywej energii wiązania właściwego w funkcji liczby masowej A (patrz 8.1.2). Do jąder o liczbie masowej około 60 specyficzna energia wiązania nukleonów wzrasta wraz ze wzrostem A. Dlatego fuzja dowolnego jądra z A< 60 из более лёгких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.
Aby dwa jądra mogły wejść w reakcję syntezy jądrowej, muszą zbliżyć się na odległość działania sił jądrowych rzędu 2·10 -15 m, pokonując odpychanie elektryczne ich ładunków dodatnich. W tym celu średnia energia kinetyczna ruchu termicznego cząsteczek musi przekraczać energię potencjalną oddziaływania kulombowskiego. Obliczenie wymaganej temperatury T prowadzi do wartości rzędu 10 8 – 10 9 K. Jest to ekstremalnie wysoka temperatura. W tej temperaturze substancja znajduje się w stanie w pełni zjonizowanym, który nazywa się plazmą.
Energia uwalniana w reakcjach termojądrowych na nukleon jest kilkakrotnie większa niż energia właściwa uwalniana w reakcjach łańcuchowych rozszczepienia jądrowego. Jako przykład rozważ niektóre reakcje syntezy:
(Q=3,3 MeV); (8.48.55)
(Q=17,6MeV);
(Q=22,4 MeV),
gdzie jest uwolniona energia. Na przykład w reakcji fuzji jąder deuteru i trytu uwalniane jest 3,5 MeV/nukleon. Łącznie w tej reakcji uwalniane jest 17,6 MeV. Jest to jedna z najbardziej obiecujących reakcji termojądrowych. Reakcje termojądrowe dają największy wkład energii na jednostkę masy „paliwa” niż jakiekolwiek inne przemiany. Na przykład ilość deuteru w szklance zwykłej wody jest energetycznie równoważna około 60 litrom benzyny. Zainteresowanie wdrożeniem kontrolowanej reakcji termojądrowej jest zrozumiałe.
Kontrolowana synteza termojądrowa, oparta na reakcjach termojądrowych, jest potencjalnie niewyczerpanym źródłem energii i obiecującym ekologicznie i ekonomicznie kierunkiem w energetyce przyszłości. W przypadku kontrolowanej syntezy termojądrowej najważniejszą reakcją jest fuzja jąder deuteru i trytu z utworzeniem jądra helu i uwolnieniem energii 17,6 MeV na zdarzenie fuzji. Aby zainicjować reakcję syntezy jądrowej, konieczne jest podgrzanie mieszaniny deuteru i trytu do temperatury ponad 100 milionów stopni. W tej temperaturze mieszanina jest całkowicie zjonizowaną plazmą i pojawia się problem ograniczenia plazmy i skutecznego odizolowania jej od ścian objętości roboczej. W 1950 r. akademicy I.E. Tamm i A.D. Sacharow zaproponowali ideę zamknięcia i izolacji termicznej plazmy za pomocą silnego pola magnetycznego o specjalnej konfiguracji utworzonego w komorze toroidalnej przez cewki magnetyczne. Ta idea była podstawą do projektowania instalacji termojądrowych, zwanych tokamakami (skrót od „komory toroidalnej z cewkami magnetycznymi”).
Pierwsze badania eksperymentalne tych systemów w ZSRR rozpoczęto w 1956 roku pod kierunkiem Acada. LA Artsimovich. Za początek ery nowożytnej w badaniach nad syntezą termojądrową należy uznać rok 1969, kiedy to w rosyjskiej instalacji termojądrowej „Tokamak-3” w plazmie o objętości 1 m3 została osiągnięta temperatura 3 mln K. 10", w którym uzyskano plazmę o temperaturze 7-8 mln K. w objętości 5 m 3. Obecnie w istniejących instalacjach typu tokamak (europejska instalacja JET - Joint Europpean Torus) osiągane są temperatury rzędu 150 mln K. Od 1988 r. ZSRR (od 1992 r. - Rosja), USA, kraje europejskie i Japonia wspólnie rozwijają projekt Międzynarodowego Eksperymentalnego Reaktora Termojądrowego - ITER tokamak, który ma stać się pierwszą wielkoskalową elektrownią przeznaczoną do długoterminowego operacja. Moc reaktora musi wynosić co najmniej 500 MW. Uruchomienie reaktora planowane jest na 2018 rok, a produkcja plazmy wodorowo-deuterowej – na 2026 rok.
Reakcje termojądrowe odgrywają niezwykle ważną rolę w ewolucji wszechświata. Po pierwsze, energia promieniowania Słońca i gwiazd ma pochodzenie termojądrowe. Po drugie, reakcje termojądrowe są jednym z głównych mechanizmów nukleosyntezy.
W przypadku normalnych jednorodnych gwiazd, w tym Słońca, synteza jądrowa odbywa się zgodnie z tak zwanym cyklem proton-proton, czyli cyklem wodorowym. Cykl wodoru(łańcuch proton-proton) - sekwencja reakcji termojądrowych w gwiazdach, prowadząca do przemiany wodoru w hel bez udziału katalizatora; główne źródło energii dla gwiazd o masie M<1,2 SM (SM jest masą Słońca) w początkowej fazie ich istnienia. Całkowity wynik reakcji, w których powstają jądra helu z wodoru, można zapisać w następujący sposób:
4 2e ++ 2 + 26,73 MeV.
Oczywiście ta przemiana nie następuje natychmiast, ale w kilku etapach. Najważniejsze reakcje cyklu wodorowego to:
Efektem końcowym tej sekwencji reakcji (cyklu proton-proton lub wodoru) jest przemiana czterech jąder wodoru w jądro atomu helu. Całkowita energia uwolniona podczas takiej reakcji wynosi 26,73 MeV. Powstałe w tej reakcji neutrina słabo oddziałują z materią i opuszczają gwiazdę, zabierając ze sobą swoją energię – około 0,5 MeV (tzw. neutrina słoneczne). Reakcja ta może przebiegać w temperaturach rzędu 13 milionów K. Około 70% wszystkich reakcji obiegu wodoru na Słońcu przebiega zgodnie z tym schematem. W 30% przypadków może się połączyć, a następnie reakcje przebiegną zgodnie z następującym schematem:
Na Słońcu obieg wodoru jest bardziej wydajny niż obieg węgiel-azot i zapewnia 98,4% uwalnianej energii.
Jeśli w gwieździe jest pewna ilość węgla, to cykl węgiel-azot- szereg reakcji termojądrowych prowadzących do syntezy helu z wodoru z udziałem azotu i węgla jako katalizatorów. Cykl węgiel-azot został odkryty niezależnie przez G. Bethe oraz niemieckiego fizyka i astrofizyka K. von Weizsackera. Cykl ten składa się z sześciu reakcji:
Efektem końcowym tego łańcucha jest przemiana czterech protonów w jedno jądro helu z uwolnieniem energii 26,73 MeV, podczas gdy 1,7 MeV jest unoszone przez neutrina. Ponieważ w tej sekwencji reakcji biorą udział jądra węgla i azotu, nazywa się to cyklem węgiel-azot. Cykl węgiel-azot jest głównym źródłem energii dla gwiazd o masie większej niż 1,2 masy Słońca. W centrum tych gwiazd temperatura wynosi około 20 milionów K, a obieg węgiel-azot jest bardziej wydajny niż obieg wodoru. Cykl węgiel-azot występuje również na Słońcu, ale zapewnia tylko około 1,6% uwalnianej energii. W trzewiach Słońca w każdej sekundzie spala się 3,6∙10 38 protonów, tj. około 630 milionów ton wodoru jest przekształcanych w hel. Jednocześnie moc promieniowania Słońca wynosi 3,86∙10 26 W.
Pytania kontrolne do samokształcenia uczniów:
1. Jakie rodzaje radioaktywności znasz?
2. Prawo rozpadu promieniotwórczego. Zasady przemieszczania.
3. Prawidłowości rozpadu.
4. Co to jest neutrino? W jakim rozpadzie jest emitowany?
5. Jakie zjawiska towarzyszą przejściu - promieniowanie przez substancję i jaka jest ich istota?
6. Rodzaje reakcji jądrowych.
7. Pod wpływem jakich cząstek reakcje jądrowe są wydajniejsze?
8. Co to jest reakcja rozszczepienia jądrowego?
9. Dlaczego rozszczepieniu ciężkich jąder i syntezie jąder atomowych towarzyszy uwolnienie dużej ilości energii?
10. Na jakiej podstawie można klasyfikować reaktory jądrowe?
Źródła literackie:
1. Trofimowa, T.I. Kurs fizyki: podręcznik. zasiłek dla uczelni wyższych / T.I. Trofimow. – M.: ACADEMIA, 2008.
2. Sawieliew, I.V. Kurs fizyki ogólnej: podręcznik. podręcznik dla szkół technicznych: w 3 tomach / I.V. Savelyev. - Petersburg: spec. lit., 2005.
istnieją wystarczająco duże względne energie zderzających się jąder, które są niezbędne do pokonania bariery elektrostatycznej w wyniku wzajemnego odpychania się jąder (jako cząstek podobnie naładowanych). Bez tego niemożliwe jest zbliżenie się jąder na odległość rzędu promienia działania sił jądrowych, a co za tym idzie „przebudowa” jąder, która następuje, gdy reakcje termojądrowe dlatego reakcje termojądrowe w warunkach naturalnych występują tylko we wnętrzach gwiazd, a do ich realizacji na Ziemi konieczne jest silne podgrzanie substancji wybuchem jądrowym, potężnym wyładowaniem gazowym, gigantycznym impulsem promieniowania laserowego lub bombardowaniem intensywną cząstką Belka.reakcje termojądrowe z reguły są procesami tworzenia się silnie związanych jąder z luźniejszych i dlatego towarzyszy im uwolnienie energii (dokładniej uwolnienie nadmiaru energii kinetycznej w produktach reakcji, równego wzrostowi energii wiązania) . Jednocześnie sam mechanizm tego „egzoenergetycznego” przesunięcia do środkowej części układu okresowego pierwiastków Mendelejewa jest odwrotny do tego, który ma miejsce przy rozszczepianiu ciężkich jąder: prawie wszystkie praktycznie interesujące reakcje termojądrowe- są to reakcje fuzji (syntezy) lekkich jąder w cięższe. Są jednak wyjątki: ze względu na szczególną wytrzymałość jądra 4 (cząstki a) możliwe są egzoenergetyczne reakcje rozszczepienia lekkich jąder (jedna z nich, „czysta” reakcja 11 + p ® 3 4 He + 8,6 mev, wzbudza zainteresowanie w ostatnich latach.
Duże uwolnienie energii w liczbie reakcje termojądrowe określa znaczenie ich badań dla astrofizyki, a także stosowanej fizyki jądrowej i energetyki jądrowej. Ponadto rola reakcje termojądrowe w przedgwiazdowych i gwiezdnych procesach syntezy jąder atomowych pierwiastków chemicznych (nukleogeneza).
Prędkości reakcje termojądrowe w tabeli. 1 dla rzędu reakcje termojądrowe podane są wartości uwolnienia energii, główna wielkość charakteryzująca prawdopodobieństwo reakcje termojądrowe- jego maksimum efektywny przekrój (s max i odpowiadającą jej energię padającej (we wzorze reakcji - pierwsza od lewej) cząstki.
Głównym powodem bardzo dużego rozrzutu przekrojów reakcje termojądrowe- wyraźna różnica w prawdopodobieństwach rzeczywistych przemian jądrowych („postbarierowych”). Tak więc dla większości reakcji, którym towarzyszy powstanie najsilniej związanego jądra 4He, przekrój poprzeczny jest duży, natomiast dla reakcji słaba interakcja (na przykład p + p ® D + e + + n), jest bardzo mały.
reakcje termojądrowe powstają w wyniku zderzeń par między jądrami, więc ich liczba na jednostkę objętości na jednostkę czasu jest równa n 1 n 2<vs(v)>, gdzie n 1 , n 2 - koncentracja ziarniaków I i II stopnia (jeżeli ziarno tego samego gatunku, to n 1 n 2 należy wymienić na n 2), v- względna prędkość zderzających się jąder, nawiasy kątowe oznaczają uśrednienie prędkości jąder w[którego dystrybucja jest dalej uważana za maxwellowską (zob Rozkład Maxwella )].
Temperaturowa zależność prędkości reakcje termojądrowe określony przez mnożnik< vs(v)>. W praktycznie istotnym przypadku „niezbyt wysokich” temperatur T< (10 7 ¸10 8) K można w przybliżeniu wyrazić w postaci takiej samej dla wszystkich reakcje termojądrowe W tym przypadku względne energie mi zderzających się jąder jest z reguły znacznie niższa niż wysokość bariery kulombowskiej (ta ostatnia nawet dla kombinacji jąder o najmniejszym ładunku z= 1 to ~200 Kew, co odpowiada, zgodnie ze stosunkiem mi = kT, T ~ 2×10 9 ), a zatem forma s(v) zależy głównie od prawdopodobieństwa „tunelowania” przez barierę (patrz ryc. efekt tunelu ), a nie przez rzeczywiste oddziaływanie jądrowe, które w niektórych przypadkach określa „rezonansowy” charakter zależności s(v)(to właśnie ta zależność przejawia się w największej z wartości s max w tabeli 1). Wynik wygląda
< vs(v)> = stała× T-2/3 do potęgi)
gdzie const jest stałą charakterystyką danej reakcji, Z 1 , Z 2 -
ładunki zderzających się jąder, -
ich zredukowana masa, e-ładunek elektronu, - Stała Plancka, k- Stała Boltzmanna.
Tabela 1
| Reakcja | uwalnianie energii, mew | maks., stodoła (w przedziale energetycznym 1 GBP mew) | Energia padającej cząstki, odpowiadająca s max, mew |
|||||||||||||||||||||||||||||||
| 1 | p + p ® re + e + + v p + D ® 3 He + g D + D ® 3 He + n D + D ® 4 He + g D + T® 4 He + n T + D ® 4 He + n T + T® 4 He + 2n D + 3 He ® 4 He + str p + 6 Li® 4 He + 3 He p + 7 Li® 2 4 He + g D + 6 Li® 7 Li + str D + 6 Li® 2 4 He Patka. 2. - Obieg wodoru
Cykl wodoru rozgałęzia się na 3 warianty. Przy wystarczająco wysokich stężeniach 4 He i T> (10 ¸ 15) milionów K, kolejna gałąź cyklu pp zaczyna dominować w całkowitym uwalnianiu energii, które różni się od podanego w Tabeli 2 poprzez zastąpienie reakcji 3 He + 3 He łańcuchem: 3 He + 4 He ® 7 Be + g, 7 Be + mi-® 7 Li + g, p + 7 Li ® 2 4 He, a nawet wyżej T - trzeci oddział: 3 He + 4 He ® 7 Be + g, p + 7 Be ® 8 B + g, Patka. 3. - Cykl węglowy
Moc tego cyklu jako źródła energii jest niewielka. Wydaje się jednak, że ma to duże znaczenie dla nukleogenezy, gdyż jedno z jąder pośrednich cyklu (21 Ne) może służyć jako źródło neutronów: 21 Ne + 4 He ® 24 Mg + n (podobną rolę może pełnić przez jądro C biorące udział w - cyklu). Późniejsze „łańcuchowe” wychwytywanie neutronów, na przemian z procesami rozpadu b, jest mechanizmem syntezy coraz cięższych jąder. Średnia intensywność uwalniania energii e w typowej gwieździe reakcje termojądrowe nieistotne w skali ziemskiej. Tak więc dla Słońca (średnio na 1 G masa słoneczna). To znacznie mniej niż np. tempo uwalniania energii w żywym organizmie w procesie metabolizmu. Jednak ze względu na ogromną masę Słońca (2×10 33 G) całkowita moc promieniowana przez nią (4×10 26 wt) jest niezwykle duży (odpowiada zmniejszeniu masy Słońca o ~ 4 miliony km na sekundę). t) a nawet znikomy jej ułamek wystarczy, aby mieć decydujący wpływ na bilans energetyczny powierzchni ziemi, życie itp. Ze względu na kolosalne rozmiary i masy Słońca i gwiazd idealnie rozwiązują problem uwięzienia (w tym przypadku grawitacyjnego) i izolacji termicznej plazmy: reakcje termojądrowe przepływ w gorącym jądrze gwiazdy, a wymiana ciepła następuje z odległej i znacznie zimniejszej powierzchni. To jedyny powód, dla którego gwiazdy mogą wydajnie generować energię w tak powolnych procesach, jak pp- i -cykle (tabele 2 i 3). W warunkach lądowych procesy te są praktycznie niewykonalne; na przykład podstawowa reakcja p + p ® D + e + + n w ogóle nie została bezpośrednio zaobserwowana. reakcje termojądrowe w warunkach ziemskich. Na Ziemi sensowne jest stosowanie tylko najskuteczniejszych z nich reakcje termojądrowe związane z udziałem izotopów wodoru D i T. Podobnie reakcje termojądrowe dotychczas przeprowadzano na stosunkowo dużą skalę jedynie w próbnych eksplozjach bomb termojądrowych lub wodorowych (zob Broń nuklearna ). Energia uwolniona przez eksplozję takiej bomby (10 23 - 10 24 erg), przekracza tygodniową produkcję energii elektrycznej na całym świecie i jest porównywalna z energią trzęsień ziemi i huraganów. Prawdopodobny schemat reakcji w bombie termojądrowej obejmuje reakcje termojądrowe 12, 7, 4 i 5 (Tabela 1). Dyskutowano w związku z wybuchami termojądrowymi itp. reakcje termojądrowe, na przykład 16,14, 3. Używając reakcje termojądrowe w celach pokojowych może być kontrolowana fuzja termojądrowa (UTS), z którym wiążą nadzieje na rozwiązanie problemów energetycznych ludzkości, gdyż deuter zawarty w wodach oceanów jest niemal niewyczerpywalnym źródłem taniego paliwa dla kontrolowanej reakcje termojądrowe Największy postęp w badaniach nad CTS osiągnięto w ramach radzieckiego programu Tokamak. Podobne programy do połowy lat 70. XX wiek zaczął się prężnie rozwijać w wielu innych krajach. Dla CTS najważniejsze reakcje termojądrowe 7,5 i 4 [oraz 12 dla drogiej regeneracji T]. Niezależnie od celów energetycznych, reaktor termojądrowy może być wykorzystywany jako potężne źródło neutronów szybkich. Jednak „czysty” reakcje termojądrowe, które nie dają neutronów, na przykład 10, 20 (Tabela 1). Oświetlony.: Artsimovich LA, Kontrolowane reakcje termojądrowe, wyd. 2, M., 1963; Frank-Kamenetsky D. A., Procesy fizyczne wewnątrz gwiazd, M., 1959; Reakcje termojądrowe, w książce: Problemy współczesnej fizyki, M., 1954, c. 1; Ptasznik. A., Caughlan GR, Zimmerman BA, „Annual Review of Astronomy and Astrophysics”, 1967, t. 5, str. 525. VI Kogan.
Artykuł o słowie reakcje termojądrowe„w Wielkiej Encyklopedii Radzieckiej przeczytano 22360 razy |
Naukowcy z Laboratorium Fizyki Plazmy w Princeton zaproponowali ideę najtrwalszego urządzenia do syntezy jądrowej, które może działać przez ponad 60 lat. W tej chwili jest to zniechęcające zadanie: naukowcy walczą o to, by reaktor termojądrowy działał przez kilka minut, a potem lata. Pomimo złożoności budowa reaktora termojądrowego jest jednym z najbardziej obiecujących zadań nauki, które może przynieść ogromne korzyści. Powiemy Ci, co musisz wiedzieć o fuzji termojądrowej.
1. Co to jest fuzja termojądrowa?
Nie bój się tego kłopotliwego wyrażenia, w rzeczywistości wszystko jest dość proste. Fuzja termojądrowa jest rodzajem reakcji jądrowej.
Podczas reakcji jądrowej jądro atomu oddziałuje albo z cząstką elementarną, albo z jądrem innego atomu, w wyniku czego zmienia się skład i struktura jądra. Ciężkie jądro atomowe może rozpaść się na dwa lub trzy lżejsze - jest to reakcja rozszczepienia. Istnieje również reakcja fuzji: wtedy dwa lekkie jądra atomowe łączą się w jedno ciężkie.
W przeciwieństwie do rozszczepienia jądrowego, które może zachodzić zarówno spontanicznie, jak i w sposób wymuszony, synteza jądrowa jest niemożliwa bez dopływu energii z zewnątrz. Jak wiecie, przeciwieństwa się przyciągają, ale jądra atomowe są naładowane dodatnio - więc odpychają się. Ta sytuacja nazywa się barierą Coulomba. Aby przezwyciężyć odpychanie, konieczne jest rozproszenie tych cząstek do szalonych prędkości. Można to zrobić w bardzo wysokich temperaturach, rzędu kilku milionów kelwinów. To właśnie te reakcje nazywane są termojądrowymi.
2. Dlaczego potrzebujemy fuzji termojądrowej?
W trakcie reakcji jądrowych i termojądrowych uwalniana jest ogromna ilość energii, którą można wykorzystać do różnych celów – można stworzyć najpotężniejszą broń, albo zamienić energię jądrową w elektryczność i dostarczyć ją całemu światu. Energia rozpadu jądrowego jest od dawna wykorzystywana w elektrowniach jądrowych. Ale energia termojądrowa wygląda bardziej obiecująco. W reakcji termojądrowej z każdego nukleonu (tzw. jąder składowych, protonów i neutronów) uwalnia się znacznie więcej energii niż w reakcji jądrowej. Na przykład kiedy rozszczepienie jądra uranu na nukleon odpowiada za 0,9 MeV (megaelektronowolt), a kiedyPodczas syntezy jądra helu z jąder wodoru uwalniana jest energia równa 6 MeV. Dlatego naukowcy uczą się przeprowadzać reakcje termojądrowe.
Badania nad syntezą jądrową i budowa reaktorów pozwalają na rozbudowę produkcji high-tech, co jest przydatne w innych obszarach nauki i high-tech.
3. Co to są reakcje termojądrowe?
Reakcje termojądrowe dzielą się na samopodtrzymujące się, niekontrolowane (stosowane w bombach wodorowych) i kontrolowane (nadające się do celów pokojowych).
We wnętrzach gwiazd zachodzą samopodtrzymujące się reakcje. Jednak na Ziemi nie ma warunków, aby takie reakcje miały miejsce.
Ludzie od dawna prowadzą niekontrolowaną lub wybuchową syntezę termojądrową. W 1952 roku, podczas operacji Evie Mike, Amerykanie zdetonowali pierwsze na świecie termojądrowe urządzenie wybuchowe, które nie miało praktycznej wartości jako broń. A w październiku 1961 r. Przetestowano pierwszą na świecie bombę termojądrową (wodorową) (Car Bomba, matka Kuzkina), opracowaną przez sowieckich naukowców pod kierownictwem Igora Kurczatowa. Było to najpotężniejsze urządzenie wybuchowe w historii ludzkości: całkowita energia eksplozji, według różnych źródeł, wahała się od 57 do 58,6 megaton trotylu. Aby zdetonować bombę wodorową, trzeba najpierw uzyskać wysoką temperaturę podczas konwencjonalnego wybuchu jądrowego – dopiero wtedy jądra atomowe zaczną reagować.
Siła wybuchu w niekontrolowanej reakcji jądrowej jest bardzo duża, ponadto wysoki jest udział skażenia radioaktywnego. Dlatego, aby wykorzystać energię termojądrową do celów pokojowych, trzeba nauczyć się nią gospodarować.
4. Co jest potrzebne do kontrolowanej reakcji termojądrowej?
Trzymaj plazmę!
Niejasny? Teraz wyjaśnijmy.
Po pierwsze, jądra atomowe. Energia jądrowa wykorzystuje izotopy - atomy różniące się między sobą liczbą neutronów i odpowiednio masą atomową. Izotop wodoru deuter (D) jest ekstrahowany z wody. Superciężki wodór lub tryt (T) to radioaktywny izotop wodoru, który jest produktem ubocznym reakcji rozpadu przeprowadzanych w konwencjonalnych reaktorach jądrowych. Również w reakcjach termojądrowych stosuje się lekki izotop wodoru, protium: jest to jedyny stabilny pierwiastek, który nie ma neutronów w jądrze. Hel-3 występuje na Ziemi w znikomych ilościach, ale występuje bardzo obficie w glebie księżycowej (regolicie): w latach 80. NASA opracowała plan hipotetycznych instalacji do przetwarzania regolitu i ekstrakcji izotopów. Z drugiej strony inny izotop, bor-11, jest szeroko rozpowszechniony na naszej planecie. 80% boru na Ziemi to izotop niezbędny naukowcom jądrowym.
Po drugie, temperatura jest bardzo wysoka. Substancją biorącą udział w reakcji termojądrowej musi być prawie całkowicie zjonizowana plazma - jest to gaz, w którym oddzielnie unoszą się swobodne elektrony i jony o różnym ładunku. Aby zamienić substancję w plazmę, wymagana jest temperatura 10 7 -10 8 K - to setki milionów stopni Celsjusza! Tak ultrawysokie temperatury można uzyskać, tworząc w plazmie wyładowania elektryczne o dużej mocy.
Nie można jednak po prostu ogrzać niezbędnych pierwiastków chemicznych. Każdy reaktor natychmiast odparuje w tych temperaturach. Tutaj wymagane jest zupełnie inne podejście. Do tej pory możliwe jest utrzymywanie plazmy na ograniczonym obszarze za pomocą wytrzymałych magnesów elektrycznych. Ale nie udało się jeszcze w pełni wykorzystać energii uzyskanej w wyniku reakcji termojądrowej: nawet pod wpływem pola magnetycznego plazma rozprzestrzenia się w przestrzeni.
5. Jakie reakcje są najbardziej obiecujące?
Główne reakcje jądrowe planowane do wykorzystania w kontrolowanej syntezie jądrowej będą dotyczyć deuteru (2H) i trytu (3H), aw dalszej perspektywie helu-3 (3He) i boru-11 (11B).
Oto najciekawsze reakcje.
1) 2 D+ 3 T -> 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV) - reakcja deuter-tryt.
2) 2 D+ 2 D -> 3 T (1,01 MeV) + p (3,02 MeV) 50%
2 D+ 2 D -> 3 He (0,82 MeV) + n (2,45 MeV) 50% to tak zwany monopropelent deuterowy.
Reakcje 1 i 2 są obarczone skażeniem radioaktywnym neutronami. Dlatego najbardziej obiecujące są reakcje „bezneutronowe”.
3) 2 D+ 3 He -> 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV) - deuter reaguje z helem-3. Problem polega na tym, że hel-3 jest niezwykle rzadki. Jednak wydajność bez neutronów sprawia, że ta reakcja jest obiecująca.
4) p+ 11 B -> 3 4 He + 8,7 MeV - bor-11 reaguje z protem, w wyniku czego powstają cząstki alfa, które mogą być absorbowane przez folię aluminiową.
6. Gdzie przeprowadzić taką reakcję?
Gwiazda to naturalny reaktor termojądrowy. W nim plazma jest utrzymywana pod wpływem grawitacji, a promieniowanie jest pochłaniane - dzięki temu rdzeń nie stygnie.
Na Ziemi reakcje termojądrowe można przeprowadzać tylko w specjalnych obiektach.
układy impulsowe. W takich systemach deuter i tryt są napromieniowywane wiązkami laserowymi o bardzo dużej mocy lub wiązkami elektronowo-jonowymi. Takie napromieniowanie powoduje sekwencję mikrowybuchów termojądrowych. Jednak stosowanie takich układów na skalę przemysłową jest nieopłacalne: na przyspieszenie atomów zużywa się znacznie więcej energii niż uzyskuje się w wyniku fuzji, ponieważ nie wszystkie przyspieszone atomy wchodzą w reakcję. Dlatego wiele krajów buduje systemy quasi-stacjonarne.
Układy quasi-stacjonarne. W takich reaktorach plazma jest utrzymywana przez pole magnetyczne o niskim ciśnieniu i wysokiej temperaturze. Istnieją trzy rodzaje reaktorów opartych na różnych konfiguracjach pola magnetycznego. Są to tokamaki, stellaratory (torsatrony) i lustrzane pułapki.
tokamak oznacza „komorę toroidalną z cewkami magnetycznymi”. Jest to kamera w formie „pączka” (torusa), na który nawinięte są cewki. Główną cechą tokamaka jest wykorzystanie zmiennego prądu elektrycznego, który przepływa przez plazmę, podgrzewa ją i, tworząc wokół siebie pole magnetyczne, utrzymuje ją.
W gwiezdny (torsatron) pole magnetyczne jest całkowicie ograniczone przez cewki magnetyczne iw przeciwieństwie do tokamaka może działać w sposób ciągły.
W lustrzane (otwarte) pułapki stosowana jest zasada odbicia. Komora jest z obu stron zamknięta magnetycznymi „korkami”, które odbijają plazmę, utrzymując ją w reaktorze.
Przez długi czas lustrzane pułapki i tokamaki walczyły o dominację. Początkowo koncepcja pułapki wydawała się prostsza, a przez to tańsza. Na początku lat 60. otwarte pułapki były mocno finansowane, ale niestabilność plazmy i nieudane próby powstrzymania jej polem magnetycznym zmusiły te instalacje do skomplikowania tych instalacji – z pozoru proste konstrukcje zamieniły się w piekielne maszyny i nie wyszło osiągnąć stabilny wynik. Dlatego tokamaki doszły do głosu w latach 80. W 1984 roku wypuszczono na rynek europejski tokamak JET, którego koszt wyniósł zaledwie 180 mln dolarów i którego parametry umożliwiały przeprowadzenie reakcji termojądrowej. W ZSRR i Francji zaprojektowano tokamaki nadprzewodzące, które prawie nie zużywały energii na działanie układu magnetycznego.
7. Kto teraz uczy się przeprowadzać reakcje termojądrowe?
Wiele krajów buduje własne reaktory termojądrowe. Eksperymentalne reaktory znajdują się w Kazachstanie, Chinach, USA i Japonii. Instytut Kurczatowa pracuje nad reaktorem IGNITOR. Niemcy uruchomili reaktor termojądrowy Wendelstein 7-X Stellarator.
Najbardziej znanym projektem międzynarodowym jest tokamak ITER (ITER, Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termojądrowy) w Centrum Badawczym Cadarache (Francja). Jego budowa miała zakończyć się w 2016 roku, ale kwota niezbędnego wsparcia finansowego wzrosła, a termin eksperymentów przesunął się na 2025 rok. W pracach ITER uczestniczą Unia Europejska, USA, Chiny, Indie, Japonia, Korea Południowa i Rosja. Główny udział w finansowaniu ma UE (45%), pozostali uczestnicy dostarczają sprzęt high-tech. W szczególności Rosja produkuje materiały nadprzewodzące i kable, lampy radiowe do podgrzewania plazmy (żyrotrony) i bezpieczniki do cewek nadprzewodzących, a także komponenty najbardziej złożonej części reaktora - pierwszej ściany, która musi wytrzymać siły elektromagnetyczne, promieniowanie neutronowe i promieniowanie plazmowe.
8. Dlaczego wciąż nie używamy reaktorów termojądrowych?
Nowoczesne instalacje tokamaków to nie reaktory termojądrowe, ale instalacje badawcze, w których istnienie i zachowanie plazmy jest możliwe tylko przez chwilę. Faktem jest, że naukowcy nie nauczyli się jeszcze, jak długo utrzymywać plazmę w reaktorze.
W tej chwili jednym z największych osiągnięć w dziedzinie syntezy jądrowej jest sukces niemieckich naukowców, którym udało się ogrzać gazowy wodór do 80 milionów stopni Celsjusza i utrzymać chmurę plazmy wodorowej przez ćwierć sekundy. A w Chinach plazma wodorowa została podgrzana do 49,999 milionów stopni i utrzymywana przez 102 sekundy. Rosyjskim naukowcom z Instytutu Fizyki Jądrowej G. I. Budkera w Nowosybirsku udało się osiągnąć stabilne ogrzewanie plazmy do dziesięciu milionów stopni Celsjusza. Jednak Amerykanie zaproponowali niedawno sposób na uwięzienie plazmy na 60 lat – i to napawa optymizmem.
Ponadto istnieją kontrowersje dotyczące opłacalności syntezy jądrowej w przemyśle. Nie wiadomo, czy korzyści z wytwarzania energii elektrycznej zrównoważą koszty syntezy jądrowej. Proponuje się eksperymentowanie z reakcjami (np. rezygnacja z tradycyjnej reakcji deuter-tryt czy monopropelent na rzecz innych reakcji), materiałami konstrukcyjnymi – a nawet rezygnacją z idei przemysłowej syntezy termojądrowej, wykorzystując ją jedynie do pojedynczych reakcji w rozszczepieniu reakcje. Jednak naukowcy nadal eksperymentują.
9. Czy reaktory termojądrowe są bezpieczne?
Stosunkowo. Tryt, który jest używany w reakcjach termojądrowych, jest radioaktywny. Ponadto neurony uwolnione w wyniku fuzji napromieniowują strukturę reaktora. Same elementy reaktora pokryte są radioaktywnym pyłem w wyniku ekspozycji na plazmę.
Jednak reaktor termojądrowy jest znacznie bezpieczniejszy niż reaktor jądrowy pod względem promieniowania. W reaktorze jest stosunkowo mało substancji radioaktywnych. Ponadto konstrukcja samego reaktora zakłada brak „dziur”, przez które może wyciekać promieniowanie. Komora próżniowa reaktora musi być uszczelniona, w przeciwnym razie reaktor po prostu nie może działać. Podczas budowy reaktorów termojądrowych wykorzystuje się materiały sprawdzone przez energetykę jądrową, aw pomieszczeniach utrzymuje się obniżone ciśnienie.
Kiedy pojawią się elektrownie termojądrowe?
Naukowcy najczęściej mówią coś w stylu „za 20 lat rozwiążemy wszystkie fundamentalne problemy”. Inżynierowie jądrowi mówią o drugiej połowie XXI wieku. Politycy mówią o morzu czystej energii za grosze, nie zawracając sobie głowy datami.
Jak naukowcy szukają ciemnej materii we wnętrzu Ziemi
Setki milionów lat temu minerały pod powierzchnią ziemi mogły zawierać ślady tajemniczej substancji. Pozostaje tylko do nich dotrzeć. Ponad dwa tuziny podziemnych laboratoriów rozsianych po całym świecie są zajęte poszukiwaniem ciemnej materii.
Co hamuje rozwój rynku wewnętrznego technologii radiacyjnych?
Naukowcy z instytutów SB RAS, którzy odwiedzili kraje Azji Południowo-Wschodniej, opowiadali o tym, jak prości sprzedawcy ryb na lokalnych bazarach wydłużali okres przydatności do spożycia swoich towarów za pomocą prostej chińskiej „technologii”.
Super fabryka S-tau
W programie OTR „Wielka nauka. Wielki w małym” dyrektor Instytutu Fizyki Jądrowej im. G. I. Budkera Oddziału Syberyjskiego Rosyjskiej Akademii Nauk akademik Paweł Logaczow mówił o roli „Fabryki S-Tau” w rozwój badań naukowych i co spowodowało jego nazwę.
Podczas lekcji każdy będzie mógł zapoznać się z tematem „Reakcja termojądrowa”. Dowiesz się, czym jest reakcja termojądrowa, czyli reakcja syntezy jądrowej. Dowiesz się, jakie pierwiastki iw jakich warunkach mogą wejść w tego typu reakcję oraz zapoznasz się z rozwojem wykorzystania reakcji termojądrowej do celów pokojowych.
reakcje termojądrowe(lub po prostu termojądrowe) nazywa się fuzją lekkich jąder w jedno zupełnie nowe jądro, w wyniku czego uwalniana jest duża ilość energii. Okazuje się, że dużo energii uwalnia się nie tylko w wyniku rozszczepienia ciężkich jąder, jeszcze więcej energii uwalnia się, gdy lekkie jądra łączą się, łączą. Proces ten nazywa się synteza. A same reakcje - fuzja termojądrowa, reakcje termojądrowe.
Jakie pierwiastki biorą udział w tych reakcjach? Są to przede wszystkim izotopy wodoru i izotopy helu. Przykładem jest następująca reakcja:
Dwa izotopy wodoru (deuter i tryt) łączą się, tworząc jądro helu i neutron. Podczas takiej reakcji uwalniana jest ogromna ilość energii. E = 17,6 MeV.
Nie zapominaj, że to tylko jedna reakcja. I jeszcze jedna reakcja. Dwa jądra deuteru łączą się ze sobą, tworząc jądro helu:
Również w tym przypadku przeznaczana jest duża kwota.
Zwracam uwagę, że aby takie reakcje zaszły, potrzebne są pewne warunki. Przede wszystkim konieczne jest zbliżenie do siebie jąder tych izotopów. Jądra mają ładunek dodatni, w tym przypadku działają siły Coulomba, które rozpychają te ładunki. Oznacza to, że te siły Coulomba muszą zostać pokonane, aby zbliżyć jedno jądro do drugiego. Jest to możliwe tylko wtedy, gdy same jądra mają dużą energię kinetyczną, gdy prędkość tych jąder jest dość duża. Aby to osiągnąć, konieczne jest stworzenie takich warunków, w których jądra izotopów będą miały taką prędkość, a jest to możliwe tylko przy bardzo wysokich temperaturach. Tylko w ten sposób możemy rozpędzić izotopy do prędkości, które pozwolą im zbliżyć się na odległość około 10-14 m.
Ryż. 1. Odległość, na jaką należy zbliżyć jądra, aby zaszła reakcja termojądrowa
Jest to odległość, z której zaczynają działać siły jądrowe. Wartość wymaganej temperatury wynosi ok t° = 10 7 - 10 8° C. Tę temperaturę można osiągnąć podczas wybuchu jądrowego. Tak więc, aby wywołać reakcję termojądrową, musimy najpierw wywołać reakcję rozszczepienia ciężkich jąder. To właśnie w tym przypadku osiągniemy wysoką temperaturę, a dopiero wtedy ta temperatura umożliwi zbliżenie do siebie jąder izotopów na odległość, na której będą mogły się łączyć. Jak rozumiesz, jest to zasada tak zwanej bomby wodorowej.
Ryż. 2. Wybuch bomby wodorowej
My, jako cywile, jesteśmy przede wszystkim zainteresowani wykorzystaniem reakcji termojądrowej do celów pokojowych do stworzenia tych samych elektrowni, ale najnowszego typu.
Obecnie trwają prace nad stworzeniem kontrolowanej syntezy termojądrowej. Wykorzystuje się do tego różne metody, jedną z nich jest wykorzystanie laserów do uzyskiwania wysokich energii i temperatur. Za pomocą laserów są one przyspieszane do dużych prędkości iw takim przypadku może dojść do reakcji termojądrowej.
W wyniku reakcji termojądrowej wydziela się ogromna ilość ciepła, miejsce w reaktorze, w którym będą się znajdować oddziałujące ze sobą izotopy musi być dobrze odizolowane, aby substancja, która będzie miała wysoką temperaturę, nie oddziaływała z otoczenia, ze ścianami obiektu, w którym się znajduje. Do takiej izolacji stosuje się pole magnetyczne. W wysokiej temperaturze rdzenia elektrony, które są razem, reprezentują nowy rodzaj materii - plazmę. Plazma jest częściowo lub całkowicie zjonizowanym gazem, a ponieważ gaz jest zjonizowany, jest wrażliwy na pole magnetyczne. Plazma przewodzi prąd elektryczny, za pomocą pól magnetycznych można nadać jej określony kształt i utrzymać określoną objętość. Jednak techniczne rozwiązanie kontrolowania reakcji termojądrowej pozostaje nierozwiązane.
Ryż. 3. TOKAMAK - toroidalne urządzenie do magnetycznego utrzymywania plazmy
Podsumowując, chciałbym również zauważyć, że reakcje termojądrowe odgrywają ważną rolę w ewolucji naszego wszechświata. Przede wszystkim zwracamy na to uwagę reakcje termojądrowe płynąć w słońce. Można powiedzieć, że to właśnie energia reakcji termojądrowych jest energią, która ukształtowała obecny wygląd naszego Wszechświata.
Spis dodatkowej literatury
1. poseł Bronstein Atomy i elektrony. „Biblioteka„ Kwant ” ”. Wydanie. 1. M.: Nauka, 1980
2. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizyka: Podręcznik dla 9 klasy liceum. M.: Oświecenie
3. Kitaygorodsky A.I. Fizyka dla każdego. Książka 4. Fotony i jądra. M.: Nauka
4. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z. Fizyka. Optyka. Fizyka kwantowa. Klasa 11: podręcznik do pogłębionej nauki fizyki. M.: Dupek
Zadanie na lekcję.
1. W wyniku reakcji termojądrowej połączenia dwóch protonów powstaje deuteron i neutrino. Jaka inna cząsteczka się pojawia?
2. Znajdź częstotliwość γ - promieniowanie powstające podczas reakcji termojądrowej:
Jeśli α -cząstka uzyskuje energię 19,7 MeV
