Управляемый термоядерный синтез (стр. 1 из 4)
Министерство образования и науки РФ
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Иркутский государственный технический университет
Курсовая работа
"Управляемый термоядерный синтез"
Иркутск 2010г.
Содержание
1. Введение
2. Типы реакций
2.1 Реакция дейтерий + тритий (Топливо D-T)
2.2 Реакция дейтерий + гелий-3
2.3 Реакция между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо)
2.4 "Безнейтронные" реакции
3.Условия
4. Критерий Лоусона
5. Термоядерная энергетика и гелий-3
6. Управляемый термоядерный синтезсмагнитной термоизоляцией
7. Установка с магнитным удержанием
8. Трудности и перспективы
Список литературы
1. Введение
Управляемый термоядерный синтез(УТС) — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого втермоядерном оружии), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционнойядерной энергетикитем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применятьсядейтерий(2H)итритий (3H), а в более отдалённой перспективегелий-3 (3He)ибор-11 (11B). Впервые задачу по управляемому термоядерному синтезу в Советском Союзе сформулировал и предложил для неё некоторое конструктивное решение советский физикЛаврентьев О. А.
2. Типы реакций
Реакция синтеза заключается в следующем: берутся два или больше атомных ядра и с применением некоторой силы сближаются настолько, чтосилы, действующие на таких расстояниях, преобладают надсилами кулоновского отталкиваниямежду одинаково заряженными ядрами, в результате чего формируется новое ядро. Оно будет иметь несколько меньшую массу, чем сумма масс исходных ядер, а разница становится энергией которая и выделяется в процессе реакции. Количество выделяемой энергии описывает известная формулаE=mc². Более легкие атомные ядра проще свести на нужное расстояние, поэтомуводород — самый распространенный элемент во Вселенной — является наилучшим горючим для реакции синтеза.
Установлено, что смесь двух изотопов , дейтерия и трития, требует менее всего энергии для реакции синтеза по сравнению с энергией, выделяемой во время реакции. Однако, хотя смесь дейтерия и трития (D-T) является предметом большинства исследований синтеза, она в любом случае не является единственным видом потенциального горючего. Другие смеси могут быть проще в производстве; их реакция может надежнее контролироваться, или, что более важно, производить меньшенейтронов. Особенный интерес вызывают так называемые "безнейтронные" реакции, поскольку успешное промышленное использование такого горючего будет означать отсутствие долговременного радиоактивного загрязнения материалов и конструкции реактора, что, в свою очередь, могло бы положительно повлиять на общественное мнение и на общую стоимость эксплуатации реактора, существенно уменьшив затраты на его декомиссию. Проблемой остается то, что реакцию синтеза с использованием альтернативных видов горючего намного сложнее поддерживать, потому D-T реакция считается только необходимым первым шагом.
Управляемый термоядерный синтез может использовать различные виды термоядерных реакций в зависимости от вида применяемого топлива.
2.1 Реакция дейтерий + тритий (Топливо D-T)
Самая легко осуществимая реакция —дейтерий+тритий:
2H +3H =4He + n при энергетическом выходе 17,6 МэВ
Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты дешевы. Недостаток — выход нежелательной нейтронной радиации.
Дваядра: дейтерия и трития сливаются, с образованием ядрагелия(альфа-частица) и высокоэнергетическогонейтрона.
2.2 Реакция дейтерий + гелий-3
Существенно сложнее, на пределе возможного, осуществить реакциюдейтерий+гелий-3
2H+3He=4He+p. при энергетическом выходе 18,4 МэВ
Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3, кроме того, является редким и чрезвычайно дорогим изотопом. В промышленных масштабах в настоящее время не производится. Однако может быть получен из трития, получаемого в свою очередь на атомных электростанциях.
Сложность проведения термоядерной реакции можно характеризовать тройным произведением nTt (плотность на температуру на время удержания). По этому параметру реакция D-3He примерно в 100 раз сложнее, чем D-T.
2.3 Реакция между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо)
Также возможны реакции между ядрамидейтерия, они идут немного труднее реакции с участиемгелия-3:
В дополнение к основной реакции в ДД-плазме также происходят :
Эти реакции медленно протекают параллельно с реакциейдейтерий+гелий-3, а образовавшиеся в ходе нихтритийигелий-3с большой вероятностью немедленно реагируют сдейтерием
2.4 "Безнейтронные" реакции
Наиболее перспективны так называемые "безнейтронные" реакции, так как порождаемый термоядерным синтезом нейтронный поток (например, в реакции дейтерий-тритий) уносит значительную часть мощности и порождает наведенную радиоактивность в конструкции реактора. Реакция дейтерий + гелий-3 является перспективной в том числе и по причине отсутствия нейтронного выхода.
3. Условия
Управляемый термоядерный синтез возможен при одновременном выполнении двух критериев:
- Скорость соударения ядер соответствует температуре плазмы:
- Соблюдениекритерия Лоусона:
(для реакции D-T)где
— плотность высокотемпературной плазмы, 
— время удержания плазмы в системе.От значения этих двух критериев в основном зависит скорость протекания той или иной термоядерной реакции.
В настоящее время (2010) управляемый термоядерный синтез ещё не осуществлён в промышленных масштабах. Строительствомеждународного экспериментального термоядерного реактора(ITER) находится в начальной стадии.
4. Критерий Лоусона
Критерий Лоусона.Применение законов сохранения энергии и числа частиц позволяет выяснить некоторые предъявляемые к реактору синтеза общие требования, не зависящие от каких-либо особенностей технологического или конструктивного характера рассматриваемой системы. Установка произвольной конструкции содержит чистуюводороднуюплазму с плотностьюппри температуреТ.В реактор вводится топливо, например равнокомпонентная смесь дейтерия и трития, уже нагретая до необходимой температуры. Внутри реактора инжектируемые частицы время от времени сталкиваются между собой и происходит их ядерное взаимодействие. Это полезный процесс; одновременно, однако, из реактора уходит энергия за счёт электромагнитного излучения плазмы и из рабочей зоны ускользает некоторая доля "горячих" (обладающих высокой энергией) частиц, которые не успели испытать ядерные взаимодействия. Пусть t – среднее время удержания частиц в реакторе; смысл величины t таков: за время в 1секиз 1см3плазмы в среднем уходитn/t частиц каждого знака. В стационарном режиме в реактор надо ежесекундно инжектировать такое же число частиц (в расчёте на единицу объёма). Для покрытия энергетических потерь подводимое топливо должно подаваться в зону реакции с энергией, превышающей энергию потока ускользающих частиц. Эта дополнительная энергия должна компенсироваться за счёт энергии синтеза, выделяющейся в зоне реакции, а также за счёт частичной рекуперации в стенках и оболочке реактора электромагнитного излучения и корпускулярных потоков. Примем для простоты, что коэффициент преобразования в электрическую энергию продуктов ядерных реакций, электромагнитного излучения и частиц с тепловой энергией одинаков и равен h. Величину (часто называют коэффициент полезного действия (кпд). В условиях стационарной работы системы и при нулевой полезной мощности уравнение баланса энергии в реакторе имеет вид: h(Po+Pr+Pt)=Pr+Pt,(1) гдеPo–мощность ядерного энерговыделения,Pr–мощность потока излучения иPt–энергетическая мощность потока ускользающих частиц. Когда левая часть написанного равенства делается больше правой, реактор перестаёт расходовать энергию и начинает работать как термоядерная электростанция. При написании равенства (1) предполагается, что вся рекуперированная энергия без потерь возвращается в реактор через инжектор вместе с потоком подводимого нагретого топлива. ВеличиныРо,PrиPtизвестным образом зависят от температуры плазмы, и из уравнения баланса легко вычисляется произведение nt= f(T),(2)гдеf(T) для заданного значения кпд h и выбранного сорта топлива есть вполне определённая функция температуры. Нарис. 2приведены графикиf(T) для двух значений h и для обеих ядерных реакций. Если величины h,достигнутые в данной установке, расположатся выше кривойf(T), это будет означать, что система работает как генератор энергии. При h =1/3энергетически выгодная работа реактора в оптимальном режиме (минимум на кривыхрис. 2) отвечает условию ("критерии Лоусона"):реакции (d, d):nt >1015см-3·сек; Т~ 109К; (3)реакции (d, t):nt > 0,5·1015см-3·сек, Т~ 2·108К. Т.о., даже в оптимальных условиях, для наиболее интересного случая – реактора, работающего на равнокомпонентной смеси дейтерия и трития, и при весьма оптимистических предположениях относительно величины (необходимо достижение температур ~ 2·108К. При этом для плазмы с плотностью ~ 1014см-3должны быть обеспечены времена удержания порядка секунд.