Применение термоядерной реакции и синтеза (физика, 9 класс)

Применение термоядерной реакции и синтеза (физика, 9 класс) в перспективе может обеспечить человечество бесконечным количеством энергии. Такие процессы происходят на солнце уже на протяжении 4,5 млрд лет. Люди хотят воссоздать слияние лёгких ядер элементов в более тяжёлые. Для этого сейчас создаются термоядерные реакторы.

Оглавление:

• Разработка Токамака
• Устройство Стелларатора
• Исследовательский проект ИТЭР
• Другие устройства

Применение термоядерной реакции и синтеза (физика, 9 класс) в перспективе может обеспечить человечество бесконечным количеством энергии. Такие процессы происходят на солнце уже на протяжении 4,5 млрд лет. Люди хотят воссоздать слияние лёгких ядер элементов в более тяжёлые. Для этого сейчас создаются термоядерные реакторы.

Суть синтеза

Термоядерным синтезом называют процесс, при котором идет слияние лёгких атомов с образованием более тяжёлых. При этом происходит выделение огромного количества энергии.

Открытие синтеза произошло ещё в середине прошлого века. Человечество уже тогда хотело воспроизвести работу звёзд, чтобы приручить источник практически неиссякаемой энергии. Но главным условием протекания реакции было разогрев вещества (например, дейтерия или трития) до температуры выше 50 млн градусов по Цельсию. Это должно превратить смесь газов в плазму. Такая температура позволяет преодолеть кулоновский барьер, то есть разогнать атомы до скорости, при которой они смогут сблизиться и соединиться. Это и называется термоядерной реакцией.

Ниже приведены основные формулы слияния ядер, где d означает дейтрон − ядро 2 Н, t означает тритон − ядро 3 Н:

• t + d → 4 He + n + 17.6 МэВ;
• 3 He + d → 4 He + p + 18.3 МэВ.

Это общие уравнения, которые используются для расчёта энерговыделения. За основу берутся изотопы водорода. Последние цифры показывают, сколько выделится энергии.

С первого применения термоядерного синтеза прошло более 60 лет, но люди до сих пор не могут контролировать процесс. Учёные ещё не научились извлекать энергию, что позволило бы отказаться от других источников, которые загрязняют планету. Например, к опасным можно отнести ядерную энергетику, хотя она считается самой чистой. В основном опасения есть из-за того, что на атомных станциях уже случались аварии. А после катастрофы в Фукусиме разрушился миф о том, что энергетические реакторы несут нулевые риски.

Кроме того, присутствуют большие проблемы с отходами. Также важным фактором является использование в качестве топлива урана-235. Его запасы сокращаются, и их не хватит на обеспечение человечества электроэнергией до конца века. Поэтому сейчас ставка делается на термоядерную энергетику.

Расщепление атомов (ядерная реакция) далось человечеству достаточно просто, а вот их слияние до сих пор не получается осуществить таким образом, чтобы можно было извлекать из этого процесса требуемые блага. Уже на протяжении десятилетий учёные всего мира пытаются создать стабильную и безопасную технологию. Было создано несколько прототипов реакторов, но ни один из них не подходит для использования.

Термоядерные реакторы

Любому реактору требуется топливо. Для получения энергии применяются изотопы водорода. Чаще всего используют:

• дейтерий;
• тритий.

Во время каждого слияния этих атомов происходит образования гелия и нейтрона. При этом выделяется 17,6 МэВ энергии.

Термоядерные реакторы, по сравнению с ядерными, являются в 3 раза производительнее, то есть им нужно меньше исходного материала. Всего с 86 грамм дейтерия можно получить столько же энергии, как при использовании 1 000 000 кг каменного угля.

Принцип работы прост, но чтобы появилась возможность использования этой энергии, необходимо сначала создать реактор, который будет безопасным и стабильным. В этом заключается вся сложность. Для удержания плазмы, разогретой до 50 млн градусов, и поддержания управляемой реакции требуется особый сосуд. В природе таких материалов, из которых можно было бы его создать, не существует.

Разработка Токамака

Первой созданной термоядерной установкой стал советский реактор Токамак Т1. Его разработали в Курчатовском университете, который расположен в Москве. Получение плазмы произошло при использовании медно-вакуумного сосуда.

В 1950 году советские учёные предложили идею, согласно которой разогретое вещество можно было удерживать при помощи магнитных полей. Уже в 1958 году они соорудили первую экспериментальную установку.

В её конструкции предусмотрено наличие тороидальной камеры и магнитных катушек. Таким образом, плазма не касается стенок сосуда, а удерживается при помощи комбинированного магнитного поля. Идея оказалась успешной. В итоге по всему миру было построено около 300 таких реакторов.

Но контролировать плазму специалистам не удаётся до сих пор. Из-за этого выработка энергии происходит неоднородно и нерегулярно. Даже вольфрам (один из самых тугоплавких металлов) неспособен выдержать нагрузку, которая возникает во время экспериментов. Это вызывает большое количество сопутствующих проблем. Наиболее серьёзной является разрушение стенок внутри устройства.

Устройство Стелларатора

Стелларатор отличается от токамака тем, что магнитное поле, необходимое для предотвращения соприкосновения плазмы и внутренних стенок прибора, создаётся исключительно наружными катушками. Благодаря этому реактор можно использовать непрерывно.

Концепция этого устройства тоже появилась в середине прошлого века. Но улучшить технологию удалось лишь в начале XXI века, чему способствовало развитие компьютеров.

Токамак Т1 постоянно функционирует в импульсном режиме. Это обусловлено срывами плазмы. А Стелларатор теоретически является стационарной установкой. Но только в том случае, если учёным удастся правильно воссоздать его конфигурацию.

Главным недостатком технологии называют её малоизученность в работе. У стеллараторов настолько сложная конструкция, что технический уровень развития человечества долго не позволял его построить. Из-за этого изучение синтеза при помощи данного устройства было заброшено на многие годы. Эксперименты с токамаком не прекращались. Скорее всего, из-за этого наиболее масштабный исследовательский проект ИТЭР взял за основу именно наработки относительно токамака.

Исследовательский проект ИТЭР

ИТЭР — это огромный международный проект, который посвящён исследованиям в области термоядерного синтеза. Он будет самым большим реактором в истории. В его создании принимают участие 35 стран, так как ещё в 70-х годах стало понятно, что одно государство не сможет справиться с таким проектом.

Площадку для этого реактора выбирали довольно долго. В итоге остановились на решении начать строительные работы на юге Франции. Фундамент был заложен в 2007 году, но с тех пор у ИТЭР было множество различных проблем. Среди них отставание от графика, технические задержки, кадровые изменение и увеличение расходов в 4 раза. Но в этом нет ничего удивительного, ведь ИТЭР является самым большим научным и строительным проектом, за который бралось человечество.

Для удержания таких объёмов плазмы планируется создать магнитное поле, которое будет в 200 сильнее, чем у Земли. Чтобы добиться таких показателей, придётся использовать несколько сотен тонн сверхпроводников. Для постройки ИТЭР необходимы все передовые технологии человечества.

Но этот реактор станет только первым шагом к бесконечному количеству энергии. Его строят для исследований поведения плазмы при критических температурных показателях. Только при успешных испытаниях ИТЭР начнут строительство реактора, который будет использоваться на практике. Сейчас проект окончен примерно на 70%.

Другие устройства

Стеллараторы и токамаки не являются единичными действующими устройствами в своём роде. Существуют ещё направления, в которых проводятся исследования синтеза. Среди них можно выделить такие:

• инерциальный термоядерный синтез;
• магнитоинерциальное слияние;
• слияние намагниченных мишеней;
• пузырьковый синтез.

Инерциальный термоядерный синтез (ICF) является видом исследований, в котором учёные пытаются начать слияние атомов при помощи нагрева и сжатия топливной мишени, где всегда находится смесь трития и дейтерия. Эти мишени зачастую сделаны в виде таблетки, размер которых не превышает 5 мм. В них содержится примерно 10 мг топлива. Технология подразумевает использование лазера.

Магнитоинерциальное слияние — исследования, которые описывают определённый класс реакторов. Они сочетают в себе технологии термоядерного и инерциального термоядерного синтеза. Делается это для снижения стоимости конструкций.

Слияние намагниченных мишеней является совокупностью, в которой сочетаются магнитное и инерционное удержание. Как и с инерционной технологией, процесс синтеза запускается при помощи активного сжатия. Это сильно повышает плотность и показатель температуры вещества.

Пузырьковый синтез предполагает реакцию, которая проходит внутри коллапсирующих газовых пузырьков, находящихся в жидкости. Они образуются при акустической кавитации. Изучение этого явления сопровождается множеством противоречий. Некоторые учёные утверждают даже то, что исследования являются мошенническими. Из-за этого Университет Пердью и несколько его сотрудников получили санкции.

Когда термоядерные установки станут реальностью, они приведут к революции в области энергетики, что полностью изменит мир. Это безопасные источники энергии, которые не нуждаются в углеводородах, не выделяют радиоактивных отходов. Все существующие сейчас электростанции в итоге морально устареют. А термоядерные реакторы станут источниками практически неограниченного электричества.