Управляемый термоядерный синтез

CONTROLLED THERMONUCLEAR FUSION

Diana Dugieva

Student of the Faculty Physics and Mathematics

Ingush State University,

Russian, Magas

Madina Halgieva

Candidate of physical and mathematical sciences, associate professor

Ingush State University

Russian, Magas

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена описанию термоядерной реакции, которая мало изучена и исследуется учёными по сегодняшний день.

ABSTRACT

The article is devoted to the description of a thermonuclear reaction, which has been little studied and is being studied by scientists to this day.

Ключевые слова: термоядерный синтез, токамак, стелларатор.

Keywords: thermonuclear fusion, tokamak, stellarator.

Хотя на первый взгляд кажется, что научное сообщество достигло больших результатов, но тем не менее в физике осталось еще много нерешенных проблем. Об одной из них об управляемой термоядерной реакции хотелось бы поговорить.

Реакции слияния лёгких ядер, протекающие при очень больших температурах, называются термоядерными реакциями. Это один из видов ядерной реакции.

В процессе ядерной реакции меняется состав и структура ядра, так как ядро атома взаимодействует или с элементарной частицей, или с ядром другого атома. Реакция деления-это когда тяжёлое атомное ядро имеет способность распадаться на два-три более лёгких. Есть ещё реакции синтеза, когда два лёгких атомных ядра становятся одним тяжёлым.

Несмотря на ядерное деление, которое может проходить как спонтанно, так и непроизвольно, ядерный синтез труден без подачи внешней энергии. Как мы знаем, противоположности притягиваются, но одноименно заряженные атомные ядра сводить нельзя, т.к. имеют положительный заряд-потому они отталкиваются, т.е. действует кулоновское отталкивание (кулоновских барьер). Для того, что одолеть отталкивание, надо разогнать эти частицы до немыслимых скоростей, т.е. одна из сильно нагретых сред, или специально ускоренные. Эти реакции носят название термоядерные.

Для чего необходим термоядерный синтез?

Во время ядерных и термоядерных реакций происходит большое выделение объёма энергии, которое можно применять в разных целях. Например, можно изменить ядерную энергию в электричество и обеспечить им весь мир. Энергия распада ядра на электростанциях применяется с давних времён, но кажется термоядерная энергетика надежд даёт больше. При протекании термоядерной реакции на каждый нуклон (нейтроны и протоны) энергии выделяется намного больше, чем при ядерной реакции.  Например, когда ядро урана делится на один нуклон необходимо 0,9МэВ. Именно поэтому учёные готовятся к проведению термоядерных реакций.

Виды термоядерных реакций?

Принято различать самоподдерживающиеся, неуправляемые (применяются в водородных бомбах) и управляемые (для мирных целей).

Самоподдерживающиеся термоядерные реакции являются источником ядерной энергии и проходят в недрах звезд, где они являются главным источником энергии. Однако проводить такие реакции на Земле сложно, так как нет условий. Самоподдерживающиеся термоядерные реакции с выделением большого количества энергии (неуправляемый или взрывной термоядерный синтез) на Земле происходили в течении короткого времени при взрывах водородных бомб. Для того, чтобы взорвать водородную бомбу, для начала, во время обычного ядерного взрыва следует получить высокую температуру—только тогда атомные ядра станут реагировать. Одна из основных термоядерных реакций, дающая выделение энергии при таких взрывах—реакция объединения двух тяжёлых изотопов водорода (дейтерия и трития) в ядро гелия с испусканием нейтрона:

      2Н+3Н—>4Не+n

С этим 17,6 МэВ энергии освобождается

Рисунок 1. Схема термоядерного синтеза для дейтерия и трития.

Мощность взрыва при неуправляемой термоядерной реакции очень большая, к тому же, доля радиоактивного загрязнения бывает высока. И поэтому, прежде чем применять термоядерную энергию в мирных целях, следует научиться управлять ею.

Что требуется для управляемой термоядерной реакции?

Надо удержать плазму. Но что это значит?

В первую очередь, атомные ядра. Все мы хорошо помним, что простейшее атомное ядро состоит из положительно заряженного протона и отрицательно заряженного электрона. В ядерной энергии применяются изотопы-это те вещества, у которых атомы отличны друг от друга количеством нейтронов и атомной массой. Если к атомному ядру водорода добавить один нейтрон, то получится изотоп–дейтерий (D), который добывают из воды. Если добавить два нейтрона, то получится изотоп–тритий (Т)–сверхтяжелый изотоп водорода, являющийся побочным продуктом реакций распада, которые проводятся на обычных ядерных реакторах.

В термоядерных реакциях своё применение нашёл и лёгкий изотоп водорода-протий–это единственный стабильный элемент, который не имеет нейтронов в ядре.

Во-вторых, повышенная температура. Вещество, которое принимает участие в термоядерной реакции, должно быть почти полностью ионизированной плазмой-это газ, в котором свободные электроны и ионы разных зарядов плавают отдельно. Для того, чтобы преобразовать вещество в плазму, нужна температура 108-109 К. В градусах Цельсия-это сотни миллионов градусов. Подобные сверхвысокие температуры в плазме получают путём сознания электрических разрядов большой мощности.

Просто нагреть необходимые химические элементы нельзя, т.к. любой реактор при высоких температурах может испариться моментально. Тут необходим другой подход. Сейчас с помощью сверхмощных электрических магнитов удается удерживать плазму, но энергию, которую получают в результате термоядерной реакции не удается использовать.

Где можно провести термоядерную реакцию?

Естественным термоядерным реактором является звезда. В ней излучение поглощается, а плазма держится под действием гравитации, в результате чего ядро не остывает.

На Земле термоядерные реакции можно проводить только в специальных установках.

Импульсные системы. В подобных системах дейтерий и тритий подвергаются облучению мощных лазерных лучей, и вызывают последовательность термоядерных микровзрывов. Но применять такие системы в промышленных масштабах накладно, т.к. на ускорение атомов расходуется энергии гораздо больше энергии, чем получается в результате синтеза, поскольку не все ускоряемые атомы вступают в реакцию. Потому большинство стран строят квазистационарные системы.

Квазистационарные системы. В таких реакторах плазма держится магнитным полем при высокой температуре и низком давлении. Есть три типа реакторов, которые основаны на разных конфигурациях магнитного поля–это стеллараторы, токамаки и зеркальные ловушки.

Стеллараторы–это полые «бублики», в которых газ нагревается и изолируется от внутренних стенок за счёт магнитных полей, которые полностью держатся с помощью магнитных катушек, и по сравнению с токамаком, может работать беспрерывно.

Токамак–это «шарики», в которых замороженные изотопы поджигаются и сдавливаются лазерами одновременно. Главная особенность токамака–это использование переменного электрического тока, который протекает через плазму, нагревает её и, путем создания вокруг себя магнитного поля, удерживает её. Отличие их состоит в том, что стеллаторы и токамаки рассчитаны на долгую работу, а импульсные системы– на выстрелы по упакованной смеси.

Рисунок 2. Строение токамака (слева) и «обычного» стелларатора (справа)

В зеркальных ловушках применяется принцип отражения. Камера, закрытая с обеих сторон магнитными пробками, отражает её, удерживая её в реакторе.

Долгие годы за первенство бились токамаки и зеркальные ловушки. Первоначально концепция ловушки казалась проще и, следовательно, дешевле. В начале 60-х открытые ловушки обеспечивались в изобилии, но нестабильность плазмы и безуспешные попытки удержать ее с помощью магнитного поля вынуждали эти установки усложняться. Казалось бы, простые конструкции стали адскими машинами, и не было никакого способа добиться успеха. Поэтому в 80-ые годы на первый план вышли токамаки. Впервые, в 1984 году был запущен европейский токамак JET, который стоит всего 180 млн долларов и позволяет проводить термоядерную реакцию. В СССР и Франции были спроектированы сверхпроводящие токамаки, которые на работу магнитной системы экономили энергию.

Почему мы не используем термоядерные реакторы и безопасны ли они?

Используемые на сегодняшний день установки токамак-не термоядерные реакторы, а исследовательские установки, в которых существование и сохранение плазмы возможно только на время. На самом деле, ученые ещё не научились долго держать плазму в реакторе.

На сегодняшний день самое большое достижение в сфере ядерного синтеза-это достижение немецких ученых, нагревшие водородный газ до 80 млн градусов по Цельсию и в течении нескольких секунд поддерживать облако плазмы водорода. Российские ученые из Института ядерной физики имени Г. И. Будкера г. Новосибирск, смогли добиться постоянного нагрева плазмы до 10 млн градусов по Цельсию.

Однако, идут споры о прибыли термоядерного синтеза в промышленности.  Предлагают поэкспериментировать с реакциями или же использовать термоядерный синтез не в промышленности, а для отдельных реакций в реакциях деления.

Насчет безопасности термоядерного синтеза всё относительно. Используемый в термоядерный реакциях тритий, радиоактивен. Помимо этого, нейроны, которые появляются в результате синтеза, облучают конструкцию реактора, а сами элементы реактора из-за влияния плазмы покрываются радиоактивной пылью. К тому же, термоядерный реактор намного безопаснее ядерного реактора с точки зрения излучения. В реакторе относительно мало радиоактивных веществ. Помимо этого, в конструкции реактора отсутствуют «дыры», через которые может просочиться излучение. Если вакуумная камера реактора не будет герметичной, он просто не будет работать. Когда строят термоядерные реакторы используют материалы, испытанные ядерной энергетикой, а в комнатах сохраняется пониженное давление.

Список литературы:

1. Чен. Ф. «Введение в физику плазмы»/ пер. с англ. М.: Мир, 1987
2. Лукьянов С. Ю., «Физика горячей плазмы и управляемый ядерный синтез.» М.: Наука, 1975.
3. Миронов С. В. «Физические процессы в плазме токамака». М.: Энергоатомиздат, 1985.
4. С. В. Рыжков, А. Ю. Чирков, «Системы альтернативной термоядерной энергетики». М.: Физматлит, 2017.