на тему (стр. 3 из 4)
Источником огромной энергии может служить реакция синтеза из более лёгких атомных ядер более тяжёлых. Эта энергия обусловлена существованием энергии связи протонов и нейтронов внутри ядра, возникающая за счёт действия ядерных сил.
2.3.Управляемый термоядерный синтез
Управляемый термоядерный синтез, процесс слияния лёгких атомных ядер, происходящий с выделением энергии при высоких температурах в регулируемых, управляемых условиях. Скорости протекания термоядерных реакций малы из-за кулоновского отталкивания (см. Кулона закон) положительно заряженных ядер. Поэтому процесс синтеза идёт с заметной интенсивностью только между лёгкими ядрами, обладающими малым положительным зарядом и только при высоких температурах, когда кинетическая энергия сталкивающихся ядер оказывается достаточной для преодоления кулоновского потенциального барьера. В природных условиях термоядерные реакции между ядрами водорода (протонами) протекают в недрах звёзд, в частности во внутренних областях Солнца, и служат тем постоянным источником энергии, который определяет их излучение. Сгорание водорода в звёздах идёт с малой скоростью, но гигантские размеры и плотности звёзд обеспечивают непрерывное испускание огромных потоков энергии в течение миллиардов лет (подробнее см. Термоядерные реакции). С несравненно большей скоростью идут реакции между тяжёлыми изотопами водорода (дейтерием 2H и тритием 3H) с образованием сильно связанных ядер гелия:
.Именно названные реакции представляют наибольший интерес для проблемы управляемый термоядерный синтез В особенности привлекательна вторая реакция, сопровождающаяся большим энерговыделением и протекающая со значительной скоростью. Тритий радиоактивен (период полураспада 12,5 лет) и не встречается в природе. Следовательно, для обеспечения работы предполагаемого термоядерного реактора, использующего в качестве ядерного горючего тритий, должна быть предусмотрена возможность воспроизводства трития. С этой целью рабочая зона рассматриваемой системы может быть окружена слоем лёгкого изотопа лития, в котором будет идти процесс воспроизводства
6Li + n ® 3H + 4He.
Вероятность (эффективное поперечное сечение) термоядерных реакций быстро возрастает с температурой, но даже в оптимальных условиях остаётся несравненно меньше эффективного сечения столкновений атомных. По этой причине реакции синтеза должны происходить в полностью ионизованной плазме, нагретой до высокой температуры, где процессы ионизации и возбуждения атомов отсутствуют и дейтон-дейтонные или дейтон-тритонные столкновения рано или поздно завершаются ядерным синтезом.
Удельная мощность термоядерного реактора находится путём умножения числа ядерных реакций, происходящих ежесекундно в единице объёма рабочей зоны реактора, на энергию, выделяющуюся при каждом акте реакции.
Трудности и перспективы. Исследования в области Управляемый термоядерный синтез сталкиваются с большими трудностями как чисто физического, так и технического характера. К первым относится уже упомянутая проблема устойчивости горячей плазмы, помещенной в магнитную ловушку. Правда, применение сильных магнитных полей специальной конфигурации подавляет потоки частиц, покидающих зону реакции, и позволяет получить в ряде случаев достаточно устойчивые плазменные образования. Электромагнитное излучение при используемых значениях n и Т плазмы и возможных размерах реактора свободно покидает плазму, но для чисто водородной плазмы эти энергетические потери определяются только тормозным излучением электронов и в случая (d, t) реакций перекрываются ядерным энерговыделением уже при температурах выше 4·107 К.
Вторая фундаментальная трудность связана с проблемой примесей. Даже малая добавка чужеродных атомов с большим Z, которые при рассматриваемых температурах находятся в сильно ионизованном состоянии, приводит к резкому увеличению интенсивности сплошного спектра, к появлению линейчатого спектра и возрастанию энергетических потерь выше допустимого уровня. Требуются чрезвычайные усилия (непрерывное совершенствование вакуумных установок, использование тугоплавких и труднораспыляемых металлов в качестве материала диафрагм, применение специальных устройств для улавливания чужеродных атомов и т.д.), чтобы содержание примесей в плазме оставалось ниже допустимого уровня. Точнее – «летальная» концентрация, исключающая возможность протекания термоядерных реакций, например, для примеси вольфрама или молибдена, составляет десятые доли процента.
Огромное значение, которое придаётся исследованиям в области Управляемый термоядерный синтез, объясняется рядом причин. Нарастающее загрязнение окружающей среды настоятельно требует перевода промышленного производства планеты на замкнутый цикл, когда возникает минимум отходов. Но подобная реконструкция промышленности неизбежно связана с резким возрастанием энергопотребления. Между тем ресурсы минерального топлива ограничены и при сохранении существующих темпов развития энергетики будут исчерпаны на протяжении ближайших десятилетий (нефть, горючие газы) или столетий (уголь). Конечно, наилучшим вариантом было бы использование солнечной энергии, но низкая плотность мощности падающего излучения сильно затрудняет радикальное решение этой проблемы. Переход энергетики в глобальном масштабе на ядерные реакторы деления ставит сложные проблемы захоронения огромных радиоактивных отходов (альтернатива: выброс радиоактивных отходов в космос). По имеющимся оценкам, радиоактивная опасность установок на У. т. с. должна оказаться на три порядка величины ниже, чем у реакторов деления. Если говорить о далёких прогнозах, то оптимум следует искать в сочетании солнечной энергетики и Управляемый термоядерный синтез.
Условия протекания энергетически выгодной термоядерной реакции
* Температура топлива (плазмы из дейтерия и трития) около 100 млн градусов.
* Плотность (n) и время ≪жизни≫ (τE) горячей плазмы должны быть достаточно большими, чтобы успели произойти столкновение ядер дейтерия и трития и их слияние (под τE здесь понимается характерное время остывания плазмы при выключенной мощности нагрева).
Как удерживать вещество в таком экстремальном (100 млн градусов!) состоянии? На Солнце это делают гравитационные поля. А на Земле? В 1950 году академики А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм предложили использовать магнитное поле для удержания плазмы. Магнитное поле ограничивает движение заряженных частиц высокотемпературной плазмы и термоизолирует ее от стенок камеры, в которой она создается.
Общая идея магнитной термоизоляции породила массу конкретных решений.
Выдающиеся российские ученые под руководством академика Л.А. Арцимовича разработали и реализовали концепцию термоядерной установки ТОКАМАК (ТОроидальная КАмера МАгнитная Катушка) С 1969 года российские установки токамак с магнитным удержанием плазмы стали мировым лидером в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу и сегодня считаются наиболее пригодными для создания термоядерного реактора. Классический токамак представляет собой тороидальную камеру в виде бублика, помещенную в тороидальное магнитное поле. В камере создается электрическое поле, приводящее к электрическому пробою газа и образованию плазмы. В плазме возникает продольный ток. Комбинация магнитного поля этого тока и тороидального магнитного поля создает условия для удержания и термоизоляции плазмы. Для поддержания плазменного витка с током в нужном положении создается поперечное к плоскости витка магнитное поле. Ток в плазме выполняет и другую существенную роль – он осуществляет начальный омический нагрев плазмы, как любого проводника. Этот способ нагрева плазмы позволяет поднять ее температуру лишь до 20–25 млн градусов. Этого недостаточно, и поэтому в систему входят устройства дополнительного нагрева плазмы до термоядерных температур. 1968 году на Международной конференции по физике плазмы ученые из ИАЭ им. И.В. Курчатова доложили о получении на установке ≪Токамак-3≫ устойчиво удерживаемой плазмы с температурой около 5 млн градусов. Это намного превосходило все, что было достигнуто в мире по другим направлениям исследований. За рубежом начался ≪токамачный≫ бум.
Схема классического токамака
1 - катушки полоидального магнитного поля
2 - вакуумная камера
3 - индуктор
4 - плазма
5 - катушки тороидального магнитного поля
Установки типа токамак, помимо СССР, стали основным направлением исследований в США, Англии, Франции, Японии и других странах.
Для энергетически выгодного процесса энергия, выделяющаяся в результате термоядерной реакции синтеза, должна быть, естественно, больше энергии, потраченной на создание и нагрев плазмы до ≪термоядерных≫ температур. Если обозначить отношение этих энергий через Q, то, как показали детальные расчеты, для реактора требуется Q > 5. Для энергетического термоядерного реактора на основе установок токамак необходимо достижение следующих параметров:
Т> 100 млн. градусов,
τ > 1 секунда (время «жизни» горячей плазмы),
Q> 5.
Такова была цель многолетних исследований.
В мире было сооружено около 300 установок типа токамак. Наиболее крупные из них были построены в Европе, Японии, США и России.
Установка Т-10 (Россия). На установке получена дейтериевая плазма с температурой около 12 млн градусов Установка TFTR (США). В дейтериевотритиевой плазме осуществлена термоядерная реакция с выделяемой мощностью около 10 МВт в импульсе длительностью 0,3 с Установка JET (Англия). В дейтериевотритиевой плазме осуществлена термоядерная реакция с выделяемой мощностью 17 МВт и Q ≈0,6 Установка JT-60 (Япония). Получена дейтериевая плазма, дающая в пересчете на равнокомпонентную D–T-смесь Q ≈ 1,25__