Ядерная энергия

Д О К Л А Д

п о ф и з и к е

по теме

"Термоядерный синтез"

Введение

В 1939 году впервые удалось расщепить атом урана. Прошло еще 3 года, и в США был создан реактор для осуще-ствления управляемой ядерной реакции. Затем в 1945г. была изготовлена и испытана атомная бомба, а в 1954г. в нашей стране была пущена в эксплуатацию первая в мире атомная электростанция. Во всех этих случаях использовалась ог-ромная энергия распада атомного ядра. Еще большее коли-чество энергии выделяется в результате синтеза атомных ядер. В 1953 году в СССР впервые была испытана термо-ядерная бомба, и человек научился воспроизводить процес-сы, происходящие на солнце. Пока использовать для мирных целей ядерный синтез нельзя, но, если это станет возмож-ным, то люди обеспечат себя дешевой энергией на миллиар-ды лет. Эта проблема - одно из важнейших направлений современной физики на протяжении последних 50 лет.

Ядерная энергия выделяется при распаде или синтезе атомных ядер. Любая энергия - физическая, химическая, или ядерная проявляется своей способностью выполнять работу, излучать высокую температуру или радиацию. Энергия в любой системе всегда сохраняется, но она может быть пере-дана другой системе или изменена по форме.

Приблизительно до 1800 года основным топливом было дерево. Энергия древесины получена из солнечной энергии, запасенной в растениях в течение их жизни. Начиная с Ин-дустриальной революции, люди зависели от полезных иско-паемых - угля и нефти, энергия которых также происходила из запасенной солнечной энергии. Когда топливо типа угля сжигается, атомы водорода и углерода, содержащиеся в угле, объединяются с атомами кислорода воздуха. При возникно-вении водного или углеродистого диоксида происходит вы-деление высокой температуры, эквивалентной приблизи-тельно 1.6 киловатт-час на килограмм или приблизительно 10 электрон-вольт на атом углерода. Это количество энергии типично для химических реакций, приводящих к изменению электронной структуры атомов. Части энергии, выделенной в виде высокой температуры, достаточно для поддержания продолжения реакции.

Атом

Атом состоит из маленького, массивного, положительно заряженного ядра, окруженного электронами. Ядро состав-ляет основную часть массы атома. Оно состоит из нейтронов и протонов (общее название нуклоны), связанных между со-бой очень большими ядерными силами, намного превы-шающими электрические силы, которые связывают электро-ны с ядром. Энергия ядра определяется тем, насколько сильно его нейтроны и протоны удерживаются ядерными си-лами. Энергия нуклона - это энергия, требуемая, чтобы уда-лить один нейтрон или протон из ядра. Если два легких ядра соединяются, чтобы сформировать более тяжелое ядро или если тяжелое ядро распадается на два более легких, то в обо-их случаях выделяется большое количество энергии.

Ядерная энергия, измеренная в миллионах электрон-вольт, образуется в результате синтеза двух легких ядер, ко-гда, два изотопа водорода, (дейтерия) объединяются в ре-зультате следующей реакции:

При этом образуется атом гелия с массой 3 а.е.м. , сво-бодный нейтрон, и 3.2 Мэв, или 5.1 * 106 Дж (1.2 * 103 кал).

Ядерная энергия также образуется, когда происходит расщепление тяжелого ядра (к примеру ядра изотопа урана-235) вследствие поглощения нейтрона:

В итоге распадаясь на цезий-140, рубидий-93, три ней-трона, и 200 Мэв, или 3.2 • 1016 Дж (7.7 • 108 кал). Ядерная реакция распада выпускает в 10 миллионов раз больше энер-гии чем при аналогичной химической реакции.

Ядерный Синтез

Выделение ядерной энергии может происходить в ниж-нем конце кривой энергии при соединение двух легких ядер в одно более тяжелое. Энергия, излучаемая звездами подобно солнцу, является результатом таких же реакций синтеза в их недрах.

При огромном давлении и температуре 15 миллионов градусов C0. Существующие там водородные ядра объединя-ется согласно уравнению (1) и в результате их синтеза образу-ется энергия солнца.

Ядерный синтез был впервые достигнут на Земле в на-чале 30-ых годов. В циклотроне - ускорителе элементарных частиц - производили бомбардировку ядер дейтерия. При этом происходило выделение высокой температуры, однако, эту энергию не удавалось использовать. В 1950-ых годах первый крупномасштабный, но не контролируемый процесс выделения энергии синтеза был продемонстрирован в испы-таниях термоядерного оружия Соединенными Штатами, СССР, Великобританией и Францией. Однако это была крат-ковременная и неуправляемая реакция, которая не могла быть использована для получения электроэнергии.

В реакциях распада нейтрон, который не имеет никакого электрического заряда, может легко приближаться и реаги-ровать с расщепляемым ядром, например урана-235. В ти-пичной реакции синтеза, однако, реагирующие ядра имеют положительный электрический заряд и поэтому по закону Кулона отталкиваются, таким образом силы, возникающие вследствие закона Кулона, должны быть преодолены до того, как ядра смогут соединиться. Это происходит, когда темпе-ратура реагирующего газа - достаточно высока от 50 до 100 миллионов градусов C0. В газе тяжелых водородных изото-пов дейтерия и трития при такой температуре происходит реакция синтеза:

выделяя приблизительно 17.6 Мэв. Энергия появляется снача-ла, как кинетическая энергия гелия-4 и нейтрона, но скоро проявляется в виде высокой температуры в окружающих ма-териалах и газе.

Если при такой высокой температуре, плотность газа со-ставляет 10-1 атмосфер (т.е. почти вакуум), то активный гелий-4 может передавать свою энергию окружающему водороду. Таким образом, поддерживается высокая температура и создаются ус-ловия для протекания самопроизвольной реакции синтеза. При этих условиях происходит «ядерное воспламенение ».

Достижению условий управляемого термоядерного син-теза препятствуют несколько основных проблем. Во-первых, нужно нагреть газ до очень высокой температуры. Во-вторых, необходимо контролировать количество реагирую-щих ядер в течение достаточно долгого времени. В-третьих, количество выделяемой энергии должно быть больше, чем было затрачено для нагревания и ограничения плотности га-за. Следующая проблема - накопление этой энергии и преоб-разование ее в электричество.

При температурах даже 100000 C0 все атомы водорода полностью ионизируются. Газ состоит из электрически ней-тральной структуры: положительно заряженных ядер и от-рицательно заряженных свободных электронов. Это состоя-ние называется плазмой.

Плазма, достаточно горяча для синтеза, но не может на-ходиться в обычных материалах. Плазма охладилась бы очень быстро, и стенки сосуда были бы разрушены при пе-репаде температур. Однако, так как плазма состоит из заря-женных ядер и электронов, которые двигаются по спирали вокруг силовых линий магнитного поля, плазма может со-держаться в ограниченной магнитным полем области без то-го, чтобы реагировать со стенками сосуда.

В любом управляемом устройстве синтеза выделение энергии должно превышать энергию, требуемую, для огра-ничения и нагрева плазмы. Это условие может быть выпол-нено, когда время заключения плазмы  и ее плотность n превышает приблизительно 1014 . Отношения n > 1014 назы-ваются критерием Лоусона.

Многочисленные схемы магнитного заключения плазмы были испытаны начиная с 1950 в Соединенных Штатах, СССР, Великобритании, Японии и в других местах. Термо-ядерные реакции наблюдали, но критерий Лоусона редко превышал 1012 . Однако одно устройство “Токамак” (это на-звание – сокращение русских слов: ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками), первоначально предложенное в СССР Игорем Таммом и Андреем Сахаровым начало давать хорошие результаты в начале 1960-ых.

Токамак

Токамак - это тороидальная вакуумная камера, на кото-рую надеты катушки, создающие сильное тороидальное маг-нитное поле. Тороидальное магнитное поле равное прибли-зительно 50000 Гаусс поддерживается внутри этой камеры мощными электромагнитами. Продольный поток нескольких миллионов ампер создается в плазме катушками трансфор-матора. Замкнутые магнитные полевые линии устойчиво ог-раничивают плазму.

Основанные на успешном действии экспериментального маленького "Tокамака" в нескольких лабораториях в начале 1980-ых были построены два больших устройства, один в Принстонском Университете в Соединенных Штатах и один в СССР. В "Tокамаке" высокая плазменная температура воз-никает в результате выделения тепла при сопротивлении мощного тороидального потока, а также путем дополнитель-ного нагревания при введении нейтрального луча, что в со-вокупности должно приводить к воспламенению.

Другой возможный путь получить энергию синтеза - также инерционного свойства. В этом случае топливо - три-тий или дейтерий содержится в пределах крошечного шари-ка, бомбардируемого с нескольких сторон импульсным ла-зерным лучом. Это приводит к взрыву шарика, с образовани-ем термоядерной реакции, которая зажигает топливо. Не-сколько лабораторий в Соединенных Штатах и в других мес-тах в настоящее время исследуют эту возможность. Прогресс исследования синтеза был многообещающим, но задача соз-дания практических систем для устойчивой реакции синтеза, которая производит большее количество энергии чем по-требляет, пока остается не решенной и потребует еще много времени и сил.

Однако, некоторое продвижение в этом вопросе было достигнуто в начале 1990-ых. В 1991 году впервые удалось получить существенное количество энергии - приблизитель-но 1.7 миллион