Керований ядерний (термоядерний) синтез

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Державний вищий навчальний заклад

«Ужгородський національний університет»

Математичний факультет

Кафедра системного аналізу та теорії оптимізації

РЕФЕРАТ

З теоретичної фізики

на тему: Керований ядерний (термоядерний) синтез

Студентки 3 курсу, групи М42

Ангели Вікторії Миколаївни

Викл.:к.ф.-м.н.; доцент Гедеон В.Ф.

Ужгород 2017

Коли академіка Л. А. Арцимовича спитали, коли ж на його думку, буде збудований перший термоядерний реактор, він відповів: «Тоді, коли це буде потрібно людству.»

Альтернативна енергетика розвивається стрімкими темпами. Відомо, що традиційні джерела енергії невпинно вичерпуються, та й екологічний стан планети залишає бажати кращого. Керований термоядерний синтез дозволяє в перспективі отримувати енергію буквально з води, причому відходами його роботи будуть тільки звичайні нешкідливі водень та гелій. Якби отримання енергії за допомогою термоядерного синтезу було б настільки простим, як за допогою ГЕС, то людство ніколи б не спідкала криза в енергетиці.

Керований термоядерний синтез (КТС) - синтез більш важких атомних ядер із легших, з метою отримання енергії. КТС, на відміну від вибухового термоядерного синтезу (що використовується в термоядерній зброї), носить керований характер. Керований термоядерний синтез відрізняється від традиційної ядерної енергетики тим, що в ядерній енергетиці використовується реакція розпаду, в ході якої з важких ядер виходять більш легкі ядра. В основних ядерних реакціях, які планується використовувати для здійснення керованого термоядерного синтезу, будуть застосовуватися дейтерій ( 2 H) і тритій ( 3 H), а в більш віддаленій перспективі гелій-3 ( 3 He) і бор-11 ( 11 B).

Типи реакцій

Реакція синтезу полягає в наступному: беруться два або більше атомних ядра і із застосуванням деякої сили зближуються настільки, що сили, діють на таких відстанях, переважають над силами кулонівського відштовхування між однаково зарядженими ядрами, в результаті чого формується нове ядро. Воно матиме дещо меншу масу, ніж сума мас вихідних ядер, а різниця стає енергією, яка і виділяється в процесі реакції. Кількість виділеної енергії описує відома формула . Більш легкі атомні ядра простіше звести на потрібну відстань, тому водень - найпоширеніший елемент у Всесвіті - є найкращим пальним для реакції синтезу.

Встановлено, що суміш двох ізотопів , Дейтерію і тритію, вимагає найменше енергії для реакції синтезу у порівнянні з енергією, що виділяється під час реакції. Однак, хоча й суміш дейтерію і тритію (DT) є предметом більшості досліджень синтезу, вона в будь-якому випадку не є єдиним видом потенційного пального. Інші суміші можуть бути простіші у виробництві; їх реакція може надійніше контролюватися, або, що більш важливо, виробляти менше нейтронів. Особливий інтерес викликають так звані "безнейтронні" реакції, оскільки успішне промислове використання такого пального означатиме відсутність довготривалого радіоактивного забруднення матеріалів та конструкції реактора, що, у свою чергу, могло б позитивно вплинути на громадську думку і на загальну вартість експлуатації реактора, істотно зменшивши витрати на його декомісію. Проблемою залишається те, що реакцію синтезу з використанням альтернативних видів пального набагато складніше підтримувати, тому DT реакція вважається тільки необхідним першим кроком.

Керований термоядерний синтез може використовувати різні види термоядерних реакцій в залежності від виду застосовуваного палива.

Реакція дейтерій + тритій (Паливо D-T)

, при енергетичному виході 17, 6 МеВ

З точки зору сучасних технологій найлегше здійснити реакцію: - дейтерій + тритій; вона дає значний вихід енергії, паливні компоненти дешеві. Недолік - вихід небажаної нейтронної радіації. Два ядра: дейтерію і тритію, зливаються, з утворенням ядра гелію (альфа-частинка) і високоенергетичного нейтрона.

керований термоядерний синтез

Реакція дейтерій + гелій-3

Істотно складніше, на межі можливого, здійснити реакцію дейтерій + гелій-3

, при енергетичному виході 18,4 МеВ

ЇЇ досягнути значно складніше. Гелій-3, є рідкісним і надзвичайно дорогим ізотопом. У промислових масштабах в даний час не випускається. Однак може бути отриманий з тритію, одержуваного в свою чергу на атомних електростанціях.

Складність проведення термоядерної реакції можна характеризувати потрійним утворенням nTt (щільність на температуру на час утримання). За цим параметром реакція D-3He приблизно в 100 разів складніша, ніж D-T....

Реакція між ядрами дейтерію (DD, монотопліво)

Також можливі реакції між ядрами дейтерію, вони відбуваються трохи важче ніж реакція за участю гелію-3:

Ці реакції повільно протікають паралельно з реакцією дейтерій + гелій-3, а утворнги в ході реакцій тритій і гелій-3 з великою ймовірністю моментально реагують з дейтерієм

"Безнейтронні" реакції

Найбільш перспективними вважаються так звані "безнейтронні" реакції, так як породжуваний термоядерним синтезом нейтронний потік (наприклад, в реакції дейтерій-тритій) забирає значну частину потужності і породжує радіоактивність в конструкції реактора. Реакція дейтерій + гелій-3 є перспективною ще й через відсутність нейтронного виходу.

Умови

Керований термоядерний синтез можливий при одночасному виконанні двох критеріїв:

1) Швидкість співудару ядер відповідає температурі плазми:

2) Дотримання критерію Лоусона

Від значення цих двох критеріїв в основному залежить швидкість протікання тієї чи іншої термоядерної реакції.

Основні проблеми

Дослідження в області Керований термоядерний синтез стикаються з великими труднощами як чисто фізичного, так і технічного характеру. До перших належить вже згадана проблема стійкості гарячої плазми, поміщеної в магнітне поле. Щоправда, застосування сильних магнітних полів спеціальної конфігурації пригнічує потоки часток, що покидають зону реакції, і дозволяє отримати в ряді випадків досить стійкі плазмові утворення. Електромагнітне випромінювання при використовуваних значеннях n і Т плазми і реальних розмірах реактора вільно покидає плазму, але для чисто водневої плазми ці енергетичні втрати визначаються тільки гальмівним випромінюванням електронів і в випадку (d, t) реакцій перекриваються ядерним енерговиділенням вже при температурах вище 4 · 107 К. Друга фундаментальна трудність пов'язана з проблемою домішок. Навіть мала добавка чужорідних атомів з великим Z, які при розглянутих температурах знаходяться в сильно іонізованому стані, призводить до різкого збільшення інтенсивності суцільного спектру, до появи лінійного спектра і зростанню енергетичних втрат вище допустимого рівня.

Потрібні надзвичайні зусилля (безперервне вдосконалення вакуумних установок, використання тугоплавких і важкорозпилюваних металів в якості матеріалу діафрагм, застосування спеціальних пристроїв для уловлювання чужорідних атомів і т.д.), щоб вміст домішок в плазмі залишався нижче допустимого рівня. Точніше - "летальна" концентрація, що виключає можливість протікання термоядерних реакцій, наприклад для домішків молібдену вона складає десяті частинки одного відсотка.

Значення керованого термоядерного синтезу для енергетики

Енергія синтезу розглядається багатьма дослідниками як «природне» джерело енергії в довгостроковій перспективі. Розвиток технології термоядерного синтезу може стати ключовим фактором створення практично невичерпного джерела енергії, адже запаси палива - водню - є безмежними. Паливо можна добувати з морської води на будь-якому узбережжі світу, що унеможливлює монополізацію паливних ресурсів однієї або групою країн.

Термоядерний реактор набагато безпечніший ядерного реактора в радіаційному відношенні. Перш за все, кількість радіоактивних речовин, що знаходяться в ньому, порівняно невелика. Енергія, яка може виділитися в результаті якої-небудь аварії, теж мала і не може привести до руйнування реактора. При цьому в конструкції реактора є кілька природних бар'єрів, що перешкоджають поширенню радіоактивних речовин.

Також при термоядерному синтезі присутня мінімальна ймовірність аварійного вибухового збільшення потужності реакції і відсутні продукти згоряння.

Істотні перешкоди між сьогоднішнім розумінням процесів ядерного синтезу, технологічними можливостями і практичним використанням ядерного синтезу досі не подолані. Незрозумілим є навіть те, наскільки може бути рентабельним виробництво електроенергії з використанням термоядерного синтезу.

Хоча спостерігається постійний прогрес в дослідженнях, дослідники раз у раз стикаються з новими проблемами. Наприклад, проблемою є розробка матеріалу, здатного витримати нейтронне бомбардування, яке, за словами вчених, повинно бути в 100 разів інтенсивніше, ніж в традиційних ядерних реакторах. Допомогти у вивченні ядерного синтезу має Міжнародний термоядерний експериментальний реактор (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER). На цьому реакторі планується проводити дослідження поведінки високотемпературної плазми.

Незважаючи на всі складнощі створення керованого термоядерного синтезу, вчені не впадають у відчай і шукають рішення проблем, оскільки при вдалому здійсненні реакції синтезу буде отримане колосальне джерело енергії, яке багато в чому перевершує будь-яку створену електростанцію. Запаси палива для таких електростанцій практично невичерпні - дейтерій і тритій легко видобуваються з морської води. Кілограм цих ізотопів може виділити стільки ж енергії, скільки 10 млн кг органічного палива.

Майбутнє не зможе існувати без розвитку термоядерного синтезу, людству необхідна електроенергія, а в сучасних умовах нам не вистачить наших запасів енергії, при отриманні її з атомних і електростанцій.

Размещено на Allbest.ru