Реферат на тему термоядерные реакции

Обновлено: 05.07.2024

В настоящее время человечество не может представить свою жизнь без электроэнергии. Человечество получает энергию при сжигании топлив - угля, нефти и газа, но нет сомнения, что в недалёком будущем органические топлива придётся заменить на другие источники энергии. Причина кроется в истощении природных ресурсов и загрязнении окружающей среды. Одним из перспективных направлений может оказаться освоение термоядерной энергии.

Если бы получение энергии с помощью термоядерного синтеза было бы настолько просто, как при помощи ГЭС, то человечество никогда не испытывало бы кризиса в электроэнергии. Для получения энергии с помощью термоядерного синтеза необходимо температура, эквивалентная температуре в центре солнца.

Термоядерный синтез — это процесс слияния лёгких атомных ядер, происходящий с выделением энергии.

Солнце, каждую секунду этот раскалённый газовый шар, выделяет столько энергии сколько человечеству хватило бы на миллион лет, такой колоссальный объем высвобождается из ядра звезды благодаря термоядерному синтезу, ядерный реакциям которые происходят уже 5 миллиардов лет

Как протекает термоядерный синтез на солнце

Пятнадцать миллионов градусов по Цельсию – столь высокая температура, одно из важнейших условий для протекания термоядерной реакции. Главный её участник водород в недрах светила этот химический элемент ионизирован поэтому представлен в виде ядер атомов водорода, при столь огромных температурах протоны летят так быстро что преодолевая электрические силы отталкивания сильно сближаются и сталкиваются так и запускается протон протонный цикл, когда лёгкий элемент водород превращается в более тяжёлый именно эта разница масс, получившаяся в ходе синтеза и преобразуется в энергию по известной формуле Эйнштейна.

Осуществление термоядерных реакций в земных условиях

На Земле доступны гораздо более эффективные топлива чем-то, которое доступна звёздам, в природе доступны обычные протоны для того чтобы зажигать термоядерную реакцию, мы же можем сделать топливо значительно эффективнее если будем использовать дейтерий и тритий. Если их смесь нагреть до 50 миллион °С и выше, то они превратятся полностью ионизированную плазму благодаря этому ядра дейтерия смог разогнаться настолько сильно что преодолевая кулоновские силы сольются образуя нейтрон и ядро гелия. В результате каждого акта такого синтеза выделится 17,6 МэВ энергии.

Освобождающаяся при термоядерном синтезе энергия должна быть больше энергии нагрева реакционной смеси, т.е. должна достигаться положительный баланс энергии, Для этого должен выполнятся критерий Лоусона, т.е. произведение времени жизни плазмы [pic 1] τ на плотность реагирующих ионов n должно быть достаточно большое

Исследования по освоению управляемого термоядерного синтеза начались в 50-егоды XX века. Почему же до сих пор не построены термоядерные электростанции?

Оказалось, что для создания управляемого термоядерного реактора ученным и инженерам нужно решить массу проблем. К ним относятся создание сосуда для удержания плазмы, разработка больших сверхпроводящих магнитов, создание импульсных систем питания, генерирующих мощные потоки элементарных частиц, разработка способов высокочастотного нагрева, подбор подходящих конструкционных материалов и.т.д

Каким способом можно получить ядерную энергию? Какая реакция называется термоядерной? На эти и другие вопросы можно получить ответы, прочитав нашу статью.

Что такое термоядерная реакция?

Ядерную энергию можно получить двумя способами: делением тяжелых ядер и синтезом (слиянием) легких ядер. Для слияния легких ядер необходимо, чтобы они сблизились на расстоянии около 10 в минус 12 см, так как ядерные силы действуют на очень маленьких расстояниях. Этому сближению препятствует кулоновское отталкивание ядер, которое может быть преодолено за счет большой кинетической энергии теплового движения ядер. Следовательно, подобные реакции могут протекать только при очень высоких температурах. Ядерный синтез, происходящий в разогретом веществе, называют термоядерным (термоядерная реакция).

Рис. 1. Термоядерная энергия.

Термоядерные реакции, идущие в недрах звезд, играют очень важную роль в эволюции Вселенной. Они – источник ядер химических элементов, которые синтезируются из водорода в звездах.

Уникальная особенность термоядерных реакций как источника энергии – это очень большое энерговыделение на единицу массы реагирующих веществ, примерно в 10 миллионов раз больше, чем в химических реакциях. Вступление в синтез одного грамма изотопов водорода эквивалентно сгоранию 10 тонн бензина. Поэтому ученые давно стремятся овладеть этим гигантским источником энергии. В принципе мы умеем уже сейчас получать энергию в результате реакции термоядерного синтеза. Нагреть вещество до звездных температур можно, используя энергию атомного взрыва. Так устроена водородная бомба – самое страшное оружие современности, в которой взрыв ядерного запала приводит к мгновенному нагреву смеси дейтерия с тритием и последующему термоядерному взрыву.

На Солнце в качестве основного источника энергии выступают реакции протон-протонного цикла, когда из четырех протонов рождается одно ядро гелия. Энергия, которая выделяется в процессе синтеза, уносится образующими ядрами, нейтронами, нейтрино и квантами электромагнитного излучения.

Рис. 2. Солнце.

Условия термоядерного синтеза

Ученые стараются найти способы применения мирного, управляемого термоядерного синтеза. Какие же условия должны быть для этого выполнены?

Прежде всего необходимо нагреть термоядерное горючее до температуры, когда реакции синтеза могут происходить с заметной вероятностью. Но этого мало. Необходимо, чтобы при синтезе выделялось больше энергии, чем затрачивается ее на нагрев вещества, или, что еще лучше, чтобы рождающиеся при синтезе быстрые частицы сами поддерживали требуемую температуру горючего. Для этого нужно, чтобы вступающее в синтез вещество было надежно теплоизолировано от окружающей холодной среды, то есть чтобы время остывания, или, как говорят, время удержания энергии, было достаточно велико.

Требования к температуре и времени удержания зависят от используемого горючего. Легче всего осуществить синтез между тяжелыми изотопами водорода – дейтерием и тритием. При этом в результате реакции получается ядро гелия и нейтрон. Глядя на эту формулу становится ясно, какая энергия выделяется при термоядерной реакции:

Рис. 3. Пример термоядерной реакции.

Дейтерий имеется на Земле в огромных количествах в морской воде. Тритий же в природе отсутствует. Сегодня его получают искусственно, облучая в ядерных реакторах нейтронами литий.

Что мы узнали?

Если говорить кратко, то термоядерная реакция – это реакция слияния легких ядер при очень высокой температуре, сопровождающаяся выделением энергии. В данной статье рассматриваются условия термоядерного синтеза и особенности термоядерных реакций.

Ядерные реакции – это превращение ядер атомов, вызванные воздействием на них элементарных частиц или других ядер. Так, под действием нейтронов происходит самопроизвольное (спонтанное) деление ядер радиоактивных элементов с большими атомными массами (урана-235, тория-232, протактиния-231, плутония-239). Ядра урана-235 и плутония-239 делятся нейтронами любых энергий, но особенно хорошо медленными нейтронами. Ядра урана-238 делятся только быстрыми нейтронами (с энергиями, не меньшими 1 МэВ). Деление тяжелых ядер может быть вызвано и другими частицами – протонами, дейдронами, альфа-частицами. При делении ядер урана-235 образуются осколки деления, которые представляют собой ядра элементов со средними массовыми числами в соотношении 2:3, а также свободные нейтроны (2-3) и γ-излучение. При этом выделяется значительная энергия (= 200 МэВ). Всего образуется около 80 различных осколков, которые разлетаются со скоростью, равной скорости света.

23592U + 10n→14055Cs + 9437Rb + 2 10n; 23592U + 10n→14054Xe + 9438Sr + 210n

23592U + 10n→14456Ba + 8936Kr + 3 10n.

Полученные осколки притерпевают ядерные превращения, в основном бета-распад

14054Xe → 14055Sr →14056Ba→14057Za→14058Ce (стабильный)

Каждый из 2-3 образовавшихся при делении ядер урана нейтронов способен вызвать новый акт деления и т.д. Количество нейтронов нарастает в геометрической прогрессии – возникает ценная реакция деления, приобретающая взрывной характер.

Цепная реакция деления может начаться и происходить, если масса урана-235 достигает определенной величины. Наименьшее количество вещества, в котором возможна цепная ядерная реакция деления называется критической массой. Для урана-235 – это десятки кг, для урана-233 – 5-6 кг, для калифорния – около 1г. На этом основано устройство атомной бомбы. Ядерный заряд такой бомбы представляет 2 куска урана-235 или плутония-239 с докритической массой. При взрыве обычного взрывчатого вещества обе части соединяются, давая сверхкритическую массу. В земной атмосфере всегда имеется некоторое количество нейтронов за счет космических лучей. Их достаточно для начала реакции деления и запуска цепной реакции взрывного характера. Всего смесь продуктов деления содержит более 200 изотопов 36 элементов (большинство из них с небольшими периодами полураспада).

При использовании цепной реакции деления в ядерных реакторах создаются такие условия, что только один из нейтронов, образующихся при делении урана, будет вызывать акт деления. Количество делящихся в каждый момент ядер будет примерно одинаковым и количество выделяющейся энергии будет поддерживаться на каком-то определенном уровне, и выделяющееся тепло может быть использовано для получения электроэнергии (1г урана дает такое же количество энергии, как 2,5т угля). На этом основана работа атомных электростанций.

Термоядерные реакции. Кроме процесса деления тяжелых ядер, существует и другой способ получения энергии – синтез тяжелых ядер из более легких. Такие реакции протекают при очень высоких температурах (многие миллионы градусов), поэтому их называют термоядерными. При такой температуре кинетическая энергия ядер достаточна для преодоления их кулоновских сил отталкивания. В этих условиях ядра легких элементов, двигаясь с высокой кинетической энергией, будут сближаться на очень малые расстояния – порядка 10-15 м и объединяться в ядра более тяжелых элементов. Примером таких реакций является синтез ядер гелия из ядер дейтерия и трития:

21Н+21Н→32Не+10n; 31H+21Н→42He+10n; 21Н+21Н→31H+11р;

32 Не+32 Не→42He+211р.

В приведенных реакциях выделение энергии, рассчитанное на один нуклон, превышает выделение энергии при реакциях деления тяжёлых ядер.