Термоядерная реакция

Содержание

Термоядерная реакция

Термоядерная реакция
Схема реакции дейтерий — тритий Анимированная схема реакции дейтерий — тритий

Термоядерная реа́кция — разновидность ядерной реакции, при которой лёгкие атомные ядра объединяются в более тяжёлые за счёт кинетической энергии их теплового движения.

Происхождение термина[ | ]

Для того чтобы произошла ядерная реакция, исходные атомные ядра должны преодолеть так называемый «кулоновский барьер» — силу электростатического отталкивания между ними. Для этого они должны иметь большую кинетическую энергию.

Согласно кинетической теории, кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а следовательно, нагревая вещество, можно достичь термоядерной реакции.

Именно эту взаимосвязь нагревания вещества и ядерной реакции и отражает термин «термоядерная реакция».

Кулоновский барьер[ | ]

Атомные ядра имеют положительный электрический заряд. На больших расстояниях их заряды могут быть экранированы электронами. Однако для того, чтобы произошло слияние ядер, они должны сблизиться на расстояние, на котором действует сильное взаимодействие.

Это расстояние — порядка размера самих ядер и во много раз меньше размера атома. На таких расстояниях электронные оболочки атомов (даже если бы они сохранились) уже не могут экранировать заряды ядер, поэтому они испытывают сильное электростатическое отталкивание.

Сила этого отталкивания, в соответствии с законом Кулона, обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами.

На расстояниях порядка размера ядер величина сильного взаимодействия, которое стремится их связать, начинает быстро возрастать и становится больше величины кулоновского отталкивания.

Таким образом, чтобы вступить в реакцию, ядра должны преодолеть потенциальный барьер. Например, для реакции дейтерий-тритий величина этого барьера составляет примерно 0,1 МэВ. Для сравнения, энергия ионизации водорода — 13 эВ. Поэтому вещество, участвующее в термоядерной реакции, будет представлять собой практически полностью ионизированную плазму.

Температура, эквивалентная 0,1 МэВ, приблизительно равна 109 К, однако есть два эффекта, которые снижают температуру, необходимую для термоядерной реакции:

  • Во-первых, температура характеризует лишь среднюю кинетическую энергию, есть частицы как с меньшей энергией, так и с большей. На самом деле в термоядерной реакции участвует небольшое количество ядер, имеющих энергию намного больше средней (т. н. «хвост максвелловского распределения»).

Термоядерные реакции[ | ]

Некоторые важнейшие экзотермические термоядерные реакции с большими сечениями:[1]

(1)D+T4He(3,5 MeV)+n(14,1 MeV)
(2)D+DT(1,01 MeV)+p(3,02 MeV)(50 %)
(3)3He(0,82 MeV)+n(2,45 MeV)(50 %)
(4)D+3He4He(3,6 MeV)+p(14,7 MeV)
(5)T+T4He+n+ 11,3 MeV
(6)3He+3He4He+p+γ(+12,85 MeV)
(7)3He+T4He+p+n+ 12,1 MeV(51 %)
(8)4He(4,8 MeV)+D(9,5 MeV)(43 %)
(9)4He(0,5 MeV)+n(1,9 MeV)+p(11,9 MeV)(6 %)
(10)D+6Li4He[2]+ 22,4 MeV –
(11)p+6Li4He(1,7 MeV)+3He(2,3 MeV)
(12)3He+6Li4He+p+ 16,9 MeV
(13)p+11B4He+ 8,7 MeV
(14)n+6Li4He+T+ 4,8 MeV

Мюонный катализ[ | ]

Основная статья: Мюонный катализ

Термоядерная реакция может быть существенно облегчена при введении в реакционную плазму отрицательно заряженных мюонов.

Мюоны µ−, вступая во взаимодействие с термоядерным топливом, образуют , в которых расстояние между ядрами атомов топлива многократно (≈200 раз) меньше, что облегчает их сближение и, кроме того, повышает вероятность туннелирования ядер через кулоновский барьер.

Число реакций синтеза Xc, инициируемое одним мюоном, ограничено величиной мюона. Экспериментально удалось получить значения Xc ~100, т. е. один мюон способен высвободить энергию ~ 100 × Х МэВ, где Х — энергетический выход катализируемой реакции.

Пока величина освобождаемой энергии меньше, чем энергетические затраты на производство самого мюона (5-10 ГэВ). Таким образом, мюонный катализ пока энергетически невыгодный процесс. Коммерчески выгодное производство энергии с использованием мюонного катализа возможно при Xc ~ 104.

Применение[ | ]

Применение термоядерной реакции как практически неисчерпаемого связано в первую очередь с перспективой освоения технологии управляемого термоядерного синтеза (УТС). В настоящее время научная и технологическая база не позволяет использовать УТС в промышленных масштабах.

Первое испытание прототипа водородной бомбы. США, 1 ноября 1952 г. Проект Ivy Mike

Вместе с тем неуправляемая термоядерная реакция нашла своё применение в военном деле.

Впервые термоядерное взрывное устройство было испытано в ноябре 1952 года в США, а уже в августе 1953 года в Советском Союзе испытали термоядерное взрывное устройство в виде авиабомбы.

Мощность термоядерного взрывного устройства (в отличие от атомного) ограничена лишь количеством используемого для его создания материала, что позволяет создавать взрывные устройства практически любой мощности.

Примечания[ | ]

Источник: https://encyclopaedia.bid/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8%D0%BF%D0%B5%D0%B4%D0%B8%D1%8F/%D0%A2%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D1%8F%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%80%D0%B5%D0%B0%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F

Термоядерный синтез

Термоядерная реакция

Термоядерная реакция — это реакция синтеза легких ядер в более тяжелые.

Для ее осуществления необходимо, чтобы исходные нуклоны или легкие ядра сблизились до расстояний, равных или меньших радиуса сферы действия ядерных сил притяжения (т.е. до расстояний 10-15 м).

Такому взаимному сближению ядер препятствуют кулоновские силы отталкивания, действующие между положительно заряженными ядрами.

Для возникновения реакции синтеза необходимо нагреть вещество большой плотности до сверхвысоких температур (порядка сотен миллионов Кельвин), чтобы кинетическая энергия теплового движения ядер оказалась достаточной для преодоления кулоновских сил отталкивания.

При таких температурах вещество существует в виде плазмы. Поскольку синтез может происходить только при очень высоких температурах, ядерные реакции синтеза и получили название термоядерных реакций (от греч. therme “тепло, жар”).

В термоядерных реакциях выделяется огромная энергия. Например, в реакции синтеза дейтерия с образованием гелия

\(~2_1D + \ 2_1D \to \ 3_2He + \ 1_0n\)

выделяется 3,2 МэВ энергии. В реакции синтеза дейтерия с образованием трития

\(~2_1D + \ 2_1D \to \ 3_1T + \ 1_1p\)

выделяется 4,0 МэВ энергии, а в реакции

\(~2_1D + \ 3_1T \to \ 4_2He + \ 1_0n\)

выделяется 17,6 МэВ энергии.

Рис. 1. Схема реакции дейтерий-тритий

В настоящее время контролируемая термоядерная реакция осуществляется путем синтеза дейтерия \(~2H\) и трития \(~3H\). Запасов дейтерия должно хватить на миллионы лет, а запасы легко добываемого лития (для получения трития) вполне достаточны для обеспечения потребностей в течение сотен лет.

Однако при этой реакции большая часть (более 80 %) выделяемой кинетической энергии приходится именно на нейтрон. В результате столкновений осколков с другими атомами эта энергия преобразуется в тепловую. Помимо этого, быстрые нейтроны создают значительное количество радиоактивных отходов.

Поэтому наиболее перспективны «безнейтронные» реакции, например, дейтерий + гелий-3.

\(~D + \ 3He \to \ 4He + p\)

У этой реакции отсутствует нейтронный выход, который уносит значительную часть мощности и порождает наведенную радиоактивность в конструкции реактора.

Кроме того, запасы гелия-3 на Земле составляют от 500 кг до 1 тонны, однако на Луне он находится в значительном количестве: до 10 млн тонн (по минимальным оценкам — 500 тысяч тонн).

В то же время его можно легко получать и на Земле из широко распространённого в природе лития-6 на существующих ядерных реакторах деления.

Термоядерное оружие

На Земле первая термоядерная реакция была осуществлена при взрыве водородной бомбы 12 августа 1953 года на Семипалатинском полигоне.

«Ее отцом» стал академик Андрей Дмитриевич Сахаров, трижды удостоенный звания Героя Социалистического Труда за разработку термоядерного оружия.

Высокую температуру, необходимую для начала термоядерной реакции, в водородной бомбе получали в результате взрыва входящей в ее состав атомной бомбы, играющей роль детонатора. Термоядерные реакции, происходящие при взрывах водородных бомб, являются неуправляемыми.

Рис. 2. Водородная бомба

См. также

  1. Термоядерная бомба
  2. Термоядерное оружие

Управляемые термоядерные реакции

Если бы в земных условиях была возможность осуществлять легко управляемые термоядерные реакции, человечество получило бы практически неисчерпаемый источник энергии, так как запасы водорода на Земле огромны.

Однако на пути осуществления энергетически выгодных управляемых термоядерных реакций стоят большие технические трудности. Прежде всего необходимо создавать температуры порядка 108 К.

Такие сверхвысокие температуры могут быть получены путем создания в плазме электрических разрядов большой мощности.

Токамак

Этот метод используют в установках типа “Токамак” (ТОриодальная КАмера с МАгнитными Катушками), впервые созданных в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова. В таких установках плазму создают в тороидальной камере, являющейся вторичной обмоткой мощного импульсного трансформатора.

Его первичная обмотка подключена к батарее конденсаторов очень большой емкости. Камеру заполняют дейтерием.

При разряде батареи конденсаторов через первичную обмотку в тороидальной камере возбуждается вихревое электрическое поле, вызывающее ионизацию дейтерия и появление в нем мощного импульса электрического тока, что приводит к сильному нагреванию газа и образованию высокотемпературной плазмы, в которой может возникнуть термоядерная реакция.

Рис. 3. Принципиальная схема работы реактора

трудность заключается в том, чтобы удержать плазму внутри камеры в течение 0,1-1 с без ее контакта со стенками камеры, поскольку не существует материалов, способных выдерживать столь высокие температуры.

Эту трудность удается частично преодолеть с помощью тороидального магнитного поля, в котором находится камера.

Под действием магнитных сил плазма скручивается в шнур и как бы “висит” на линиях индукции магнитного поля, не касаясь стенок камеры.

Началом современной эпохи в изучении возможностей термоядерного синтеза следует считать 1969 год, когда на российской установке Токамак Т3 в плазме объемом около 1 м3 была достигнута температура 3 M°C. После этого ученые во всем мире признали конструкцию токамака наиболее перспективной для магнитного удержания плазмы.

Уже через несколько лет было принято смелое решение о создании установки JET (Joint European Torus) со значительно большим объемом плазмы (100 м3). Рабочий цикл установки составляет примерно 1 минуту, так как ее тороидальные катушки изготовлены из меди и быстро нагреваются.

Эта установка начала работать в 1983 году и остается пока крупнейшим в мире токамаком, обеспечивающим нагрев плазмы до температуры 150 M°C.

Рис. 4. Конструкция реактора JET

В 2006 представители России, Южной Кореи, Китая, Японии, Индии, Евросоюза и США подписали в Париже соглашение о начале работ по строительству первого Международного термоядерного экспериментального реактора (International Tokamak Experimental Reactor — ITER).

Магнитные катушки реактора ITER будут созданы на основе сверхпроводящих материалов (что, в принципе, позволяет работать непрерывно при условии поддержания тока в плазме), так что проектировщики надеются обеспечить гарантированный рабочий цикл длительностью не менее 10 минут.

Рис. 5. Конструкция реактора ITER.

Реактор будет построен в районе города Кадараш (Cadarache), расположенного в 60 километрах от Марселя на юге Франции. Работы по подготовке стройплощадки начнутся весной будущего года. Возведение самого реактора планируется начать в 2009 году.

Строительство продлится десять лет, работы на реакторе предполагается проводить в течение двадцати лет. Общая стоимость проекта составляет примерно 10 миллиардов долларов. Сорок процентов расходов будет нести Евросоюз, шестьдесят процентов придутся в равных долях на остальных участников проекта.

Лазерный термоядерный синтез (УЛС)

Другим путем достижения этой цели является лазерный термоядерный синтез. Сущность такого метода состоит в следующем. Замороженную смесь дейтерия и трития, приготовленную в виде шариков диаметром менее 1 мм, равномерно облучают со всех сторон мощным лазерным излучением.

Это приводит к нагреванию и испарению вещества с поверхности шариков. При этом давление внутри шариков возрастает до величин порядка 1015 Па.

Под действием такого давления происходят увеличение плотности и сильное нагревание вещества в центральной части шариков и начинается термоядерная реакция.

В отличие от магнитного удержания плазмы, в лазерном время удержания (т. е.

время существования плазмы с высокой плотностью и температурой, определяющее длительность термоядерных реакций) составляет 10–10 — 10–11 с, поэтому ЛТС может осуществляться только в импульсном режиме.

Предложение использовать лазеры для термоядерного синтеза впервые было высказано в Физическом институте им. П. Н. Лебедева АН СССР в 1961 Н. Г. Басовым и О. Н. Крохиным.

Рис. 6.

В Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии закончено (май 2009) строительство самого мощного в мире лазерного комплекса. Он получил название «Национальная зажигательная установка» (US National Ignition Facility, NIF). Строительство продолжалось 12 лет. На лазерный комплекс было потрачено 3,5 млрд. долл.

Рис. 7. Принципиальная схема УЛС

В основе NIF – 192 мощных лазера, которые будут одновременно направляться на миллиметровую сферическую мишень (около 150 микрограммов термоядерного топлива – смесь дейтерия и трития; в дальнейшем радиоактивный тритий можно будет заменить легким изотопом гелия-3). Температура мишени достигнет в результате 100 млн. градусов, при этом давление внутри шарика в 100 млрд. раз превысит давление земной атмосферы.

Преимущества синтеза

Сторонники использования термоядерных реакторов для производства электроэнергии приводят следующие аргументы в их пользу:

  • практически неисчерпаемые запасы топлива (водород). Например, количество угля, необходимого для обеспечения работы тепловой электростанции мощностью 1 ГВт составляет 10000 тонн в день (десять железнодорожных вагонов), а термоядерная установка такой же мощности будет потреблять в день лишь около 1 килограмма смеси D + T. Озеро среднего размера в состоянии обеспечить любую страну энергией на сотни лет. Это делает невозможным монополизацию горючего одной или группой стран;
  • отсутствие продуктов сгорания;
  • нет необходимости использовать материалы которые могут быть использованы для производства ядерного оружия, таким образом исключается случаи саботажа и терроризма;
  • по сравнению с ядерными реакторами, вырабатывается незначительное количество радиоактивных отходов с коротким периодом полураспада;
  • реакция синтеза не производит атмосферных выбросов углекислоты, что является главным вкладом в глобальное потепление.

Почему создание термоядерных установок столь затянулось?

1. Долгое время считалось, что проблема практического использования энергии термоядерного синтеза не требует срочных решений и действий, так как еще в 80-х годах прошлого столетия источники ископаемого топлива казались неистощимыми, а проблемы экологии и изменения климата не волновали общественность.

На основании оценок Геологической службы США (2009) рост мировой добычи нефти будет продолжаться не более 20 ближайших лет (другие специалисты предсказывают, что пик добычи будет достигнут уже через 5–10 лет), после чего объем добываемой нефти начнет уменьшаться со скоростью около 3 % в год. Перспективы добычи природного газа выглядят ненамного лучше.

Обычно говорят, что каменного угля нам хватит еще на 200 лет, но этот прогноз основан на сохранении существующего уровня добычи и расхода.

Между тем, потребление угля сейчас возрастает на 4,5 % в год, что сразу сокращает упомянутый период в 200 лет всего до 50 лет! Из сказанного ясно, что уже сейчас мы должны готовиться к окончанию эпохи использования ископаемых типов горючего.2. Термоядерную установку нельзя создать и продемонстрировать в малых размерах.

Научно-технические возможности и преимущества термоядерных установок могут быть проверены и продемонстрированы лишь на достаточно крупных станциях, типа упоминавшегося реактора ITER. Общество просто не было готово к финансированию столь крупных проектов, пока не было достаточной уверенности в успехе.

Ядерные реакции: просто и понятно

Термоядерная реакция

  • Что такое ядерные реакции
  • Немного истории ядерных реакций
  • Какие ядерные реакции есть в физике
  • Деление атомных ядер
  • Термоядерные реакции
  • Ядерные реакции, видео
  • Расщепление ядра атома и способность использовать ядерную энергию, как в созидательных (атомная энергетика), так и разрушительных (атомная бомба) целях стало, пожалуй, одним из самых значимых изобретений прошлого ХХ века. Ну а в основе всей той грозной силы, что таиться в недрах крохотного атома лежат ядерные реакции.

    Что такое ядерные реакции

    Под ядерными реакциями в физике понимается процесс взаимодействия атомного ядра с другим подобным ему ядром либо разными элементарными частичками, в результате чего происходит изменения состава и структуры ядра.

    Немного истории ядерных реакций

    Первая ядерная реакция в истории была сделана великим ученым Резерфордом в далеком 1919 году во время опытов по обнаружению протонов в продуктах распада ядер. Ученый бомбардировал атомы азота альфа частицами, и при соударении частиц происходила ядерная реакция.

    А так выглядело уравнение этой ядерной реакции. Именно Резерфорду принадлежит заслуга открытия ядерных реакций.

    Затем последовали многочисленные опыты ученых по осуществлению различных типов ядерных реакций, например, весьма интересной и значимой для науки была ядерная реакция, вызванная бомбардировкой атомных ядер нейтронами, которую провел выдающийся итальянский физик Э. Ферми.

    В частности Ферми обнаружил, что ядерные преобразования могут быть вызваны не только быстрыми нейтронами, но и медленными, который двигаются с тепловыми скоростями. К слову ядерные реакции, вызванные воздействием температуры, получили название термоядерных.

    Что же касается ядерных реакций под действием нейтронов, то они очень быстро получили свое развитие в науке, да еще какое, об этом читайте дальше.

    Типичная формула ядерной реакции.

    Какие ядерные реакции есть в физике

    В целом известные на сегодняшний день ядерные реакции можно разделить на:

    • деление атомных ядер
    • термоядерные реакции

    Ниже детально напишем о каждой из них.

    Деление атомных ядер

    Реакция деления атомных ядер подразумевает распад собственно ядра атома на две части. В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф.

    Штрассманом было открыто деления ядер атома урана, продолжая исследования своих ученых предшественников, они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической таблицы Менделеева, а именно радиоактивные изотопы бария, криптона и некоторых других элементов. К сожалению, эти знания первоначально были использованы в ужасающих, разрушительных целях, ведь началась вторая мировая война и немецкие, а с другой стороны, американские и советские ученые наперегонки занимались разработкой ядерного оружия (в основе которого была ядерная реакция урана), закончившейся печально известными «ядерными грибами» над японскими городами Хиросимой и Нагасаки.

    Но вернемся к физике, ядерная реакция урана при расщеплении его ядра обладает просто таки колоссальной энергией, которую наука смогла поставить себе на службу. Как же происходит подобная ядерная реакция? Как мы написали выше, она происходит вследствие бомбардировки ядра атома урана нейтронами, от чего ядро раскалывается, при этом возникает огромная кинетическая энергия, порядка 200 МэВ.

    Но что самое интересное, в качестве продукта ядерной реакции деления ядра урана от столкновения с нейтроном, возникает несколько свободных новых нейтронов, которые, в свою очередь, сталкиваются с новыми ядрами, раскалывают их, и так далее.

    В результате нейтронов становится еще больше и еще больше ядер урана раскалывается от столкновений с ними – возникает самая настоящая цепная ядерная реакция.

    Вот так она выглядит на схеме.

    При этом коэффициент размножения нейтронов должен быть больше единицы, это необходимое условие ядерной реакции подобного вида. Иными словами, в каждом последующем поколении нейтронов, образованных после распада ядер, их должно быть больше, нежели в предыдущем.

    Стоит заметить, что по похожему принципу ядерные реакции при бомбардировке могут проходить и во время деления ядер атомов некоторых других элементов, с теми нюансами, что ядра могут бомбардироваться самыми разными элементарными частичками, да и продукты таких ядерных реакций будут разниться, чтобы описать их более детально, нужна целая научная монография

    Термоядерные реакции

    В основе термоядерных реакций лежат реакции синтеза, то есть, по сути, происходит процесс обратный делению, ядра атомов не раскалываются на части, а наоборот сливаются друг с другом. При этом также происходит выделение большого количества энергии.

    Термоядерные реакции, как это следует из самого из названия (термо — температура) могут протекать исключительно при очень высоких температурах.

    Ведь чтобы два ядра атомов слились, они должны приблизиться на очень близкое расстояние друг к другу, при этом преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов, такое возможно при существовании большой кинетической энергии, которая, в свою очередь, возможна при высоких температурах.

    Следует заметить, что на Солнце происходят термоядерные реакции водорода, впрочем, не только на нем, но и на других звездах, можно даже сказать, что именно она лежит в самой основе их природы всякой звезды.

    Ядерные реакции, видео

    И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи, ядерным реакциям.

    Источник: http://www.poznavayka.org/fizika/yadernyie-reaktsii-prosto-i-ponyatno/

    Чем ядерная реакция отличается от термоядерной

    Термоядерная реакция

    В принципе, словосочетания «ядерная реакция» и «термоядерная реакция» могут трактоваться по-разному, однако в интересующем нас контексте под этими терминами обычно принято понимать в первом случае «реакцию деления ядер» (nuclear fission), а во втором — «реакцию синтеза ядер» (nuclear fusion).

    Представим себя ненадолго физиками-ядерщиками

    Практически всё вещество вокруг нас состоит из мельчайших частичек — атомов разных сортов. Сами атомы во многом похожи между собой: в сердцевине каждого атома есть ядро (оно составляет ~99.

    9% всей массы атома и заряжено положительно) и «кружащиеся» вокруг него в эквивалентном количестве отрицательно заряженные электроны, численно зависящие от сорта выбранного нами атома — то есть в целом атомы в обычных условиях электрически не заряжены.

    В отличие от какого-нибудь цельного ядра лесного ореха, ядро атома устроено сложнее: в его составе имеются два сорта частиц — незаряженных нейтронов и положительных протонов.

    По идее, из-за наличия положительного заряда у протонов ядро должно было бы быть немедленно «разорвано в клочья» силами кулоновского отталкивания (ведь именно так ведут себя в природе одноимённые заряды, разлетаясь друг от друга как можно дальше!) — однако им противостоят специальные, могучие ядерные силы, которые на расстояниях, соразмеримых с размером ядра, оказываются значительно сильнее кулоновского отталкивания. Так атом и существует: снаружи «порхают» электроны, а внутри ядра ведут какой-то свой «взаимный танец» протоны и нейтроны.

    Ядерная реакция

    Тонкость же заключена в том, что отнюдь не все теоретически возможные комбинации протонов и нейтронов «способны жить в мире» — одну часть из них в принципе невозможно создать, а другая часть ведёт себя неустойчиво: с некоторой вероятностью такое «танцующее сообщество» спонтанно разваливается на осколки с высвобождением энергии — это ядра различных радиоактивных элементов.

    А теперь ненадолго «переквалифицируемся» в астрофизиков

    После прочтения предыдущего абзаца возникает резонный вопрос: откуда вообще взялось такое дикое разнообразие обычных и радиоактивных атомов, которые мы сейчас вокруг себя наблюдаем? Если говорить по-простому и пренебречь рядом тонкостей, то на взгляд современной науки после возникновения Вселенной в ней практически не было никаких иных атомов, кроме простейшего атома водорода (ядра-протона с одним электроном) и гелия.

    Под действием гравитации из гигантских облаков водорода возникли первые звёзды, где началась реакция синтеза: если атомы водорода хорошенько сжать вместе и подогреть, то некоторым ядрам-протонам удаётся преодолеть электростатическое отталкивание и сойтись настолько, что ядерные силы заставляют их соединиться в одно ядро — и попутно выделяется энергия, за счёт коей звезда «и светит, и греет». Реакция синтеза ядер наиболее энергетически эффективна для ядер водорода, однако и более тяжёлые ядра «со скрипом» способны в неё вступать, синтезируя более массивные ядра (углерод, кислород и так далее).

    Однако как только дело доходит до железа, «вечный праздник и веселье» немедленно заканчиваются: синтез железа уже не сопровождается выделением энергии — и все энергетические реакции в звезде затухают, а накопление ядер железа «убивает» достаточно массивную звезду — она взрывается как сверхновая, разбрасывая в пространство вокруг себя своё вещество (попутно отметим, что наше Солнце относится к третьему поколению звёзд, возникших из вещества, оставшегося после «смерти» первых двух). Именно в момент «смерти» звезды и рождаются более тяжёлые чем железо ядра, когда чудовищные по мощности и концентрации потоки нейтронов и протонов взаимодействуют со всем остальным веществом «умирающей» звезды. Здесь же возникают и тяжёлые радиоактивные элементы, «запасающие» в себе на время ту энергию, что потом выделится при их распаде.

    Подведём итоги

    1. Итак, ядерная реакция вообще — это взаимодействие ядра с каким-либо иным ядром либо элементарной частицей, в результате чего состав и/или строение ядра может меняться.
    2. Термоядерная реакция (реакция синтеза) — вид ядерной реакции, в которой более лёгкие атомные ядра за счёт кинетической энергии их теплового движения объединяются в более тяжёлые.
    3. Ядерная реакция распада (реакция деления) — вид ядерной реакции, в которой ядро спонтанно или под действием внешней частицы распадается на два-три осколка (более лёгких ядра/частицы).

    Источник: https://vchemraznica.ru/chem-yadernaya-reakciya-otlichaetsya-ot-termoyadernoj/

    Термоядерные реакции. Применение ядерной энергии – Класс!ная физика

    Термоядерная реакция

    Применение ядерной энергии для преобразования ее в электрическую впервые было осуществлено в нашей стране в 1954 г. В г. Обнинске была введена в действие первая атомная электростанция (АЭС) мощностью 5000 кВт.

    Энергия, выделяющаяся в ядерном реакторе, использовалась для превращения воды в пар, который вращал затем связанную с генератором турбину.

    Развитие ядерной энергетики

    По такому же принципу действуют введенные в эксплуатацию Нововоронежская, Ленинградская, Курская, Кольская и другие АЭС.
    Реакторы этих станций имеют мощность 500-1000 МВт.

    Атомные электростанции строятся прежде всего в европейской части страны. Это связано с преимуществами АЭС по сравнению с тепловыми электростанциями, работающими на органическом топливе.

    Ядерные реакторы не потребляют дефицитного органического топлива и не загружают перевозками угля железнодорожный транспорт. Атомные электростанции не потребляют атмосферный кислород и не засоряют среду золой и продуктами сгорания.

    Однако размещение АЭС в густонаселенных областях таит в себе потенциальную угрозу.

    В реакторах на тепловых (т. е. медленных) нейтронах уран используется лишь на 1—2%. Полное использование урана достигается в реакторах на быстрых нейтронах, в которых обеспечивается также воспроизводство нового ядерного горючего в виде плутония.

    В 1980 г. на Белоярской АЭС состоялся пуск первого в мире реактора на быстрых нейтронах мощностью 600 МВт.

    Ядерной энергетике, как и многим другим отраслям промышленности, присущи вредные или опасные факторы воздействия на окружающую среду. Наибольшую потенциальную опасность представляет радиоактивное загрязнение.

    Сложные проблемы возникают с захоронением радиоактивных отходов и демонтажем отслуживших свой срок атомных электростанций.

    Срок их службы около 20 лет, после чего восстановление станций из-за многолетнего воздействия радиации на материалы конструкций невозможно.

    АЭС проектируется с расчетом на максимальную безопасность персонала станции и населения.

    Опыт эксплуатации АЭС во всем мире показывает, что биосфера надежно защищена от радиационного воздействия предприятий ядерной энергетики в нормальном режиме эксплуатации.

    Однако взрыв четвертого реактора на Чернобыльской АЭС показал, что риск разрушения активной зоны реактора из-за ошибок персонала и просчетов в конструкции реакторов остается реальностью, поэтому принимаются строжайшие меры для снижения этого риска.

    Ядерные реакторы устанавливаются также на атомных подводных лодках и ледоколах.

    Ядерное оружие

    Неуправляемая цепная реакция с большим коэффициентом увеличения нейтронов осуществляется в атомной бомбе.

    Для того чтобы происходило почти мгновенное выделение энергии (взрыв), реакция должна идти на быстрых нейтронах (без применения замедлителей).
    Взрывчатым веществом служит чистый уран или плутоний .

    Чтобы мог произойти взрыв, размеры делящегося материала должны превышать критические.

    Это достигается либо путем быстрого соединения двух кусков делящегося материала с докритическими размерами, либо же за счет резкого сжатия одного куска до размеров, при которых утечка нейтронов через поверхность падает настолько, что размеры куска оказываются надкритическими.

    То и другое осуществляется с помощью обычных взрывчатых веществ.

    При взрыве атомной бомбы температура достигает десятков миллионов кельвин. При такой высокой температуре очень резко повышается давление и образуется мощная взрывная волна. Одновременно возникает мощное излучение.

    Продукты цепной реакции при взрыве атомной бомбы сильно радиоактивны и опасны для жизни живых организмов.

    Атомные бомбы применили США в конце Второй мировой войны против Японии.
    В 1945 г. были сброшены атомные бомбы на японские города Хиросима и Нагасаки.

    В термоядерной (водородной) бомбе для инициирования реакции синтеза используется взрыв атомной бомбы, помещенной внутри термоядерной.

    Нетривиальным решением оказалось то, что взрыв атомной бомбы используется не для повышения температуры, а для сильнейшего сжатия термоядерного топлива излучением, образующимся при взрыве атомной бомбы.

    В нашей стране основные идеи создания термоядерной бомбы были выдвинуты после Великой Отечественной войны А. Д. Сахаровым.

    С созданием ядерного оружия победа в войне стала невозможной.
    Ядерная война способна привести человечество к гибели, поэтому народы всего мира настойчиво борются за запрещение ядерного оружия.

    Источник: «Физика – 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

    Следующая страница «Получение радиоактивных изотопов и их применение»
    Назад в раздел «Физика – 11 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин»

    Физика атомного ядра. Физика, учебник для 11 класса – Класс!ная физика

    Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц — Открытие радиоактивности. Альфа-, бета- и гамма-излучения — Радиоактивные превращения — Закон радиоактивного распада. Период полураспада — Открытие нейтрона — Строение атомного ядра. Ядерные силы.

    Изотопы — Энергия связи атомных ядер — Ядерные реакции — Деление ядер урана — Цепные ядерные реакции — Ядерный реактор — Термоядерные реакции.

    Применение ядерной энергии — Получение радиоактивных изотопов и их применение — Биологическое действие радиоактивных излучений — Краткие итоги главы — Три этапа в развитии физики элементарных частиц — Открытие позитрона. Античастицы

    Источник: http://class-fizika.ru/11_83.html

     Условия протекания термоядерной реакции

    Об­ра­щаю ваше вни­ма­ние: чтобы такие ре­ак­ции про­те­ка­ли, нужны опре­де­лен­ные усло­вия. В первую оче­редь нужно сбли­зить ядра ука­зан­ных изо­то­пов.

    Ядра имеют по­ло­жи­тель­ный заряд, в дан­ном слу­чае дей­ству­ют ку­ло­нов­ские силы, ко­то­рые рас­тал­ки­ва­ют эти за­ря­ды. Зна­чит, нужно пре­одо­леть эти ку­ло­нов­ские силы, чтобы при­бли­зить одно ядро к дру­го­му.

    Это воз­мож­но толь­ко в том слу­чае, если сами ядра об­ла­да­ют боль­шой ки­не­ти­че­ской энер­ги­ей, когда ско­рость у этих ядер до­воль­но ве­ли­ка.

    Чтобы до­бить­ся этого, нужно со­здать такие усло­вия, когда ядра изо­то­пов будут об­ла­дать этой ско­ро­стью, а это воз­мож­но толь­ко при очень вы­со­ких тем­пе­ра­ту­рах. Толь­ко так мы смо­жем разо­гнать изо­то­пы до ско­ро­стей, ко­то­рые поз­во­лят им сбли­зить­ся на рас­сто­я­ние при­бли­зи­тель­но 10-14 м.

    Рис. 1. Рас­сто­я­ние, на ко­то­рое нужно сбли­зить ядра для на­ступ­ле­ния тер­мо­ядер­ной ре­ак­ции 

    Это рас­сто­я­ние как раз то, с ко­то­ро­го на­чи­на­ют дей­ство­вать ядер­ные силы. Зна­че­ние необ­хо­ди­мой тем­пе­ра­ту­ры со­став­ля­ет по­ряд­ка t° = 107 – 108°C. До­стиг­нуть такой тем­пе­ра­ту­ры можно, когда про­из­ве­ден ядер­ный взрыв.

    Таким об­ра­зом, чтобы про­из­ве­сти тер­мо­ядер­ную ре­ак­цию, мы сна­ча­ла долж­ны про­из­ве­сти ре­ак­цию де­ле­ния тя­же­лых ядер. Имен­но в этом слу­чае мы до­бьем­ся вы­со­кой тем­пе­ра­ту­ры, а уже потом дан­ная тем­пе­ра­ту­ра даст воз­мож­ность сбли­зить ядра изо­то­пов до рас­сто­я­ния, когда они могут со­еди­нить­ся.

    Как вы по­ни­ма­е­те, имен­но в этом за­ло­жен прин­цип так на­зы­ва­е­мой во­до­род­ной бомбы.

    Рис. 2. Взрыв во­до­род­ной бомбы 

     Применение термоядерного синтеза

    Нас, как мир­ных людей, ин­те­ре­су­ет в первую оче­редь ис­поль­зо­ва­ние тер­мо­ядер­ной ре­ак­ции в мир­ных целях для со­зда­ния тех же самых элек­тро­стан­ций, но уже но­вей­ше­го типа.

     Управляемый термоядерный синтез

    В на­сто­я­щее время ве­дут­ся раз­ра­бот­ки по тому, как со­здать управ­ля­е­мый тер­мо­ядер­ный син­тез. Для этого ис­поль­зу­ют­ся раз­лич­ные ме­то­ды, один из них: ис­поль­зо­ва­ние ла­зе­ров для по­лу­че­ния вы­со­ких энер­гий и тем­пе­ра­тур. С по­мо­щью ла­зе­ров их раз­го­ня­ют до вы­со­ких ско­ро­стей, и в этом слу­чае может про­те­кать тер­мо­ядер­ная ре­ак­ция.

    В ре­зуль­та­те тер­мо­ядер­ной ре­ак­ции вы­де­ля­ет­ся огром­ное ко­ли­че­ство тепла, то место в ре­ак­то­ре, в ко­то­ром будут на­хо­дить­ся вза­и­мо­дей­ству­ю­щие друг с дру­гом изо­то­пы, нужно хо­ро­шо изо­ли­ро­вать, чтобы ве­ще­ство, ко­то­рое будет на­хо­дить­ся при вы­со­кой тем­пе­ра­ту­ре, не вза­и­мо­дей­ство­ва­ло с окру­жа­ю­щей сре­дой, со стен­ка­ми того объ­ек­та, где оно на­хо­дит­ся. Для такой изо­ля­ции ис­поль­зу­ет­ся маг­нит­ное поле. При вы­со­кой тем­пе­ра­ту­ре ядра, элек­тро­ны, ко­то­рые на­хо­дят­ся вме­сте, пред­став­ля­ют собой новый вид ма­те­рии – плаз­му. Плаз­ма – это ча­стич­но или пол­но­стью иони­зи­ро­ван­ный газ, а раз газ иони­зи­ро­ван, то он чув­стви­те­лен к маг­нит­но­му полю. Плаз­ма – элек­тро­про­во­дя­щая, при по­мо­щи маг­нит­ных полей можно при­да­вать ей опре­де­лен­ную форму и удер­жи­вать в опре­де­лен­ном объ­е­ме. Тем не менее, тех­ни­че­ское ре­ше­ние управ­ле­ния тер­мо­ядер­ной ре­ак­ци­ей оста­ет­ся пока нераз­ре­шен­ным.

    Рис. 3. ТО­КА­МАК – то­ро­и­даль­ная уста­нов­ка для маг­нит­но­го удер­жа­ния плаз­мы 

     Термоядерные реакции во вселенной

    В за­клю­че­ние хо­те­лось бы еще от­ме­тить: тер­мо­ядер­ные ре­ак­ции иг­ра­ют важ­ную роль в эво­лю­ции нашей все­лен­ной. В первую оче­редь от­ме­тим, что тер­мо­ядер­ные ре­ак­ции про­те­ка­ют на Солн­це. Можно ска­зать, что имен­но энер­гия тер­мо­ядер­ных ре­ак­ций – это та энер­гия, ко­то­рая сфор­ми­ро­ва­ла ны­неш­ний облик нашей все­лен­ной.

    Источник: https://100ballov.kz/mod/page/view.php?id=2631

    Поделиться:
    Нет комментариев

      Добавить комментарий

      Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.