Термоядерная реакция сообщение по физике 9
Обновлено: 02.07.2024
Термоядерные реакции
Масса покоя ядра урана больше суммы масс покоя осколков, на которые делится ядро.
Для легких ядер дело обстоит как раз наоборот.
Так, масса покоя ядра гелия значительно меньше суммы масс покоя двух ядер тяжелого водорода, на которые можно разделить ядро гелия.
Это означает, что при слиянии легких ядер масса покоя уменьшается и, следовательно, должна выделяться значительная энергия.
Подобного рода реакции слияния легких ядер могут протекать только при очень высоких температурах.
Поэтому они называются термоядерными.
Термоядерные реакции — это реакции слияния легких ядер при очень высокой температуре.
Для слияния ядер необходимо, чтобы они сблизились на расстояние около 10 -12 см, т. е. чтобы они попали в сферу действия ядерных сил.
Этому сближению препятствует кулоновское отталкивание ядер, которое может быть преодолено лишь за счет большой кинетической энергии теплового движения ядер.
Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях в расчете на один нуклон, превышает удельную энергию, выделяющуюся при цепных реакциях деления ядер.
Так, при слиянии тяжелого водорода — дейтерия — со сверхтяжелым изотопом водорода — тритием — выделяется около 3,5 МэВ на один нуклон.
При делении же урана выделяется примерно 1 МэВ энергии на один нуклон.
Термоядерные реакции играют большую роль в эволюции Вселенной.
Энергия излучения Солнца и звезд имеет термоядерное происхождение.
По современным представлениям, на ранней стадии развития звезда в основном состоит из водорода.
Температура внутри звезды столь велика, что в ней протекают реакции слияния ядер водорода с образованием гелия.
Затем при слиянии ядер гелия образуются и более тяжелые элементы.
Термоядерные реакции играют решающую роль в эволюции химического состава вещества во Вселенной.
Все эти реакции сопровождаются выделением энергии, обеспечивающей излучение света звездами на протяжении миллиардов лет.
Осуществление управляемых термоядерных реакций на Земле сулит человечеству новый, практически неисчерпаемый источник энергии.
Наиболее перспективной в этом отношении реакцией является реакция слияния дейтерия с тритием:
В этой реакции выделяется энергия 17,6 МэВ.
Поскольку трития в природе нет, он должен вырабатываться в самом термоядерном реакторе из лития.
Экономически выгодная реакция, как показывают расчеты, может идти только при нагревании реагирующих веществ до температуры порядка сотен миллионов кельвин при большой плотности вещества (10 14 —10 15 частиц в 1 см 3 ).
Такие температуры могут быть в принципе достигнуты путем создания в плазме мощных электрических разрядов.
Основная трудность на этом пути состоит в том, чтобы удержать плазму столь высокой температуры внутри установки в течение 0,1 — 1 с.
Никакие стенки из вещества здесь не годятся, так как при столь высокой температуре они сразу же превратятся в пар.
Единственно возможным является метод удержания высокотемпературной плазмы в ограниченном объеме с помощью очень сильных магнитных полей.
Однако до сих пор решить эту задачу не удалось из-за неустойчивости плазмы.
Неустойчивость приводит к диффузии части заряженных частиц сквозь магнитные стенки.
На этой установке удалось получить плазму температурой 1,3 • 10 7 К.
Однако проблема ее удержания еще не решена.
Помимо энергетического преимущества, при термоядерных реакциях не образуются радиоактивные отходы, т. е. не надо решать проблемы загрязнения окружающей среды.
В настоящее время существует уверенность в том, что рано или поздно термоядерные реакторы будут созданы.
Ученые нашей страны достигли больших успехов в создании управляемых термоядерных реакций.
Эти работы были начаты под руководством академиков Л. А. Арцимовича и М. А. Леонтовича и продолжаются их учениками.
Пока же удалось осуществить лишь неуправляемую реакцию синтеза взрывного типа в водородной (или термоядерной) бомбе.
Осуществление управляемых термоядерных реакций способно решить энергетическую проблему человечества.
Неуправляемые термоядерные реакции в водородных бомбах могут человечество уничтожить.
Применение ядерной энергии
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.
Физика атомного ядра. Физика, учебник для 11 класса - Класс!ная физика
Из данного видеоурока Вы узнаете, какие реакции называются термоядерными. А также о тех проблемах, с которыми столкнулось человечество при осуществлении управляемой термоядерной реакции. Узнаете, откуда черпают энергию звезды, в том числе, и наше Солнце.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока "Термоядерная реакция. Источники энергии Солнца и звезд"
«Надежда на быстрое решение проблемы
управляемого термоядерного синтеза —
то же, что надежда грешника попасть
Лев Андреевич Арцимович
В данной теме речь пойдёт о термоядерных реакциях иисточниках энергии Солнца и звезд.
Известно, что в середине 20 века возникла проблема поиска новых источников энергии. В связи с этим внимание ученых привлекли термоядерные реакции.
Термоядерная реакция — это реакция синтеза легких ядер в более тяжелые ядра.
На примере урана ранее было показано, что при деление тяжелых ядер может выделяться энергия. В случае с легкими ядрами энергия может выделяться при обратном процессе — при их синтезе. Причем реакция синтеза легких ядер энергетически более выгодна, чем реакция деления тяжелых (если сравнивать выделившуюся энергию, приходящуюся на один нуклон).
Таким образом, в термоядерных реакциях выделяется огромная энергия. Например, в реакции синтеза дейтерия с образованием выделяется 3,2 МэВ. В реакции синтеза дейтерия с образованием трития выделяется порядка 4 МэВ, а в реакции синтеза дейтерия и трития выделяется около17,6 МэВ энергии.
Особенно большое практическое значение имеет тот факт, что при термоядерных реакциях на каждый нуклон выделяется значительно большая энергия, чем при цепных ядерных реакциях. Например, при синтезе ядер гелия из ядер водорода на один нуклон выделяется энергия, порядка 6 МэВ, в то время как при делении ядра U-235 на один нуклон выделяется энергия всего лишь порядка 0,9 МэВ.
Самоподдерживающиеся термоядерные реакции происходят в недрах звезд (в том числе Солнца) и играют важнейшую роль в существовании и развитии Вселенной.
На Земле первая термоядерная реакция была осуществлена при взрыве водородной бомбы. Высокую температуру, необходимую для начала термоядерной реакции, в водородной бомбе получали в результате взрыва входящей в ее состав атомной бомбы, играющей роль детонатора, а термоядерным горючим являлся дейтерид лития. Сначала в водородной бомбе взрывается атомная бомба. Этот взрыв сопровождается резким ростом температуры, а также возникновением потока нейтронов. Нейтроны вступают в реакцию с изотопом лития, образуют тритий, затем инициируется термоядерная реакция, которая дает основное выделение энергии.
Термоядерные реакции, происходящие при взрывах водородных бомб, являются неуправляемыми. Если бы в земных условиях была возможность осуществлять легко управляемые термоядерные реакции, человечества 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 10 8 К. Только при такой температуре газ почти полностью ионизируется, превращаясь в плазму, в которой и происходит синтез ядер. Такие сверхвысокие температуры могут быть получены путем создания в плазме электрических разрядов большой мощности. Также, для удержания плазмы, необходимо создание очень сильных магнитных полей.
Этот метод используют в установках типа "Токамак", впервые созданных в Институте атомной энергии имени 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. Главная трудность заключается в том, чтобы удержать плазму внутри камеры в течение от 0,1 до 1 секунды 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. Однако плазма в магнитном поле очень неустойчива и плазменный шнур распадается прежде, чем удается нагреть плазму до нужной температуры.
Пока удалось получать плазму с температурой 1,3×10 7 К и удерживать ее в течение 60 — 80 мс на установке "Токамак-10". Для увеличения продолжительности существования управляемой термоядерной реакции необходимо увеличивать размеры установки, поэтому в настоящее время строится новая большая установка "Токамак-20".
Хотя уже сейчас,говорят, что группе китайских ученых удалось стабилизировать плазму на рекордные 30 секунд. Осуществить это позволило усовершенствование токамака EAST в городе Хэфей, который и использовался для эксперимента.
Использование установок типа "Токамак" (в которых для получения и нагревания плазмы используется мощный электрический разряд, а для удержания плазмы магнитное поле) является одним из возможных путей осуществления управляемых термоядерных реакций, 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 10 15 Па. Под действием такого давления происходят увеличение плотности и сильное нагревание вещества в центральной части шариков и начинается термоядерная реакция.
В настоящее время во многих странах мира ведутся интенсивные работы по осуществлению управляемой термоядерной реакции. Имеются обоснованные предположения, что эта проблема будет решена в течение ближайших 20 лет.
Термоядерные реакции играют важную роль в эволюции Вселенной, в частности в преобразованиях химических веществ в ней.
Благодаря термоядерным реакциям, протекающим в недрах Солнца, выделяется энергия, дающий жизнь обитателям Земли. Солнце излучает в пространство свет и тепло уже почти 4,6 миллиарда лет.
Естественно, что во все времена ученых интересовал вопрос о том, что является топливом, за счет которого на Солнце вырабатывается огромное количество энергии в течении столь длительного времени. На этот счет существовали разные гипотезы. Одна из них заключалась в том, что энергия на Солнце выделяется в результате химической реакции горения. Но в этом случае, как показывают расчеты, Солнце могло бы просуществовать всего несколько тысяч лет, что противоречит действительности.
Оригинальная гипотеза была выдвинута в середине ХIХ в. Она состояла в том, что увеличение внутренней энергии и соответствующее повышение температуры Солнца происходит за счет уменьшения его потенциальной энергии при гравитационном сжатии. Она тоже оказалась несостоятельной, так как вэтом случае срок жизни Солнца увеличивается до миллионов лет, но не до миллиардов.
Предположение о том, что выделение энергии на Солнце происходит в результате протекания на нем термоядерных реакций, было высказано в 1939 г. американским физиком Хансом Бете. Именно за это Бете получил Нобелевскую премию в 1967 году.
Им же был предложен так называемый водородный цикл, т. е. цепочка из трех термоядерных реакций, приводящая к образованию гелия из водорода.
Чтобы получилось два ядра необходимые для третьей реакции, первые две должны произойти дважды.
Известно, что в соответствии с формулой
с уменьшением внутренней энергии тела уменьшается и его масса. Чтобы представить, какое колоссальное количество энергии теряет Солнце в результате превращения водорода в гелий, достаточно знать, что масса Солнца ежесекундно уменьшается на несколько миллионов тонн.
Но, несмотря на потери, запасов водорода на Солнце должно хватить еще на 5 — 6 миллиардов лет. Между тем, в недрах Солнца к этому времени уже произойдут существенные изменения. В центре весь водород уже будет исчерпан. Центральная область Солнца целиком будет заполнена гелием. В центре не происходит ядерных реакций, поскольку весь водород уже выгорел, а для превращения гелия в углерод температура слишком мала. Только на поверхности этого гелиевого шара, там, где гелий граничит со слоем, богатым водородом, еще происходит сгорание водорода. Постепенно выгорает и этот водород, а радиус гелиевой сферы в центре Солнца увеличивается.
Через 13 миллиардов лет размеры Солнца станут примерно в 100 раз больше, чем сегодня, а светимость увеличится в 2000 раз. В то же время температура поверхности существенно снизится. Она будет составлять всего 4000 градусов, т. е. на 1800 градусов меньше, чем теперь.
Но нас это уже не спасет. К тому времени океаны на Земле давно уже испарятся, а под палящими лучами Солнца будет даже плавиться свинец. Земля превратиться в горячую печь, на которой уже не сможет существовать жизнь. Над безжизненной поверхностью Земли будет светить гигантский красный солнечный шар размером в полнеба.
Когда температура центральной части Солнца достигнет 100 000 000 градусов, начнет сгорать и гелий, превращаясь в тяжелые элементы, и Солнце вступит в стадию сложных циклов сжатия и расширения. На последней стадии эта звезда потеряет внешнюю оболочку, центральное ядро будет иметь очень большую плотность и размеры, как у Земли. Пройдет еще несколько миллиардов лет, и Солнце остынет, превратившись в белый, а затем, и в черный карлик.
Основные выводы:
– Термоядерная реакция — это реакция синтеза легких ядер в более тяжелые ядра.
– Плазма — это частично или полностью ионизированный газ, образованный из нейтральных атомов и заряженных частиц.
– Самоподдерживающиеся термоядерные реакции происходят в недрах звезд и играют важнейшую роль в существовании и развитии Вселенной.
– Если бы в земных условиях была возможность осуществлять легко управляемые термоядерные реакции, человечества получило бы практически неисчерпаемый источник энергии.
Вы можете изучить и скачать доклад-презентацию на тему Термоядерная реакция (9 класс). Презентация на заданную тему содержит 8 слайдов. Для просмотра воспользуйтесь проигрывателем, если материал оказался полезным для Вас - поделитесь им с друзьями с помощью социальных кнопок и добавьте наш сайт презентаций в закладки!
Что такое термоядерная реакция? Реакция слияния легких ядер при очень высокой температуре, сопровождающаяся выделением энергии, называется термоядерной реакцией.
Термоядерная реакция Управляемая термоядерная реакция - энергетически выгодная реакция. Однако она может идти лишь при очень высоких температурах (порядка несколько сотен млн. градусов). При большой плотности вещества такая температура может быть достигнута путем создания в плазме мощных электронных разрядов. При этом возникает проблема - трудно удержать плазму. Самоподдерживающиеся термоядерные реакции происходят в звездах. В настоящее время в России и ряде других стран ведутся работы по осуществлению управляемой термоядерной реакции.
ТОКАМАК (тороидальная магнитная камера с током) Это электрофизическое устройство, основное назначение которого – формирование плазмы, что возможно при температурах около 100 млн. градусов, и сохранение её достаточно долгое время в заданном объеме. Возможность получения плазмы при сверхвысоких температурах позволяет осуществить термоядерную реакцию синтеза ядер гелия из исходного сырья, изотопов водорода (дейтерия и трития). В ходе реакции должна выделяться энергия, которая будет существенно больше, чем энергия, затрачиваемая на формирование плазмы. Основы теории управляемого термоядерного синтеза заложили в 1950 году И. Е. Тамм и А. Д. Сахаров, предложив удерживать магнитным полем горячую плазму, образовавшуюся в результате реакций.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Термоядерными реакциями (или просто термоядом) называют реакции слияния легких ядер в одно целое новое ядро, в результате которого выделяется большое количество энергии. Оказывается, большая энергия выделяется не только в результате деления тяжелых ядер, еще больше энергии выделяется, когда легкие ядра сливаются вместе, соединяются. Этот процесс называют синтезом . А сами реакции – термоядерным синтезом, термоядерными реакциями.
Какие же элементы участвуют в этих реакциях? Это в первую очередь изотопы водорода и изотопы гелия. Для примера можно привести следующую реакцию:
Два изотопа водорода (дейтерий и тритий), соединяясь вместе, дают ядро гелия, еще образуется нейтрон. Когда протекает такая реакция, выделяется огромная энергия Е = 17,6 МэВ.
Не забывайте, что это всего лишь на одну реакцию. И еще одна реакция. Два ядра дейтерия, сливаясь вместе, образуют ядро гелия:
В этом случае выделяется тоже большое количество.
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° = 10 7 – 10 8 °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
Нас, как мирных людей, интересует в первую очередь использование термоядерной реакции в мирных целях для создания тех же самых электростанций, но уже новейшего типа.
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
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.
Список дополнительной литературы
2. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник для 9 класса средней школы. М.: Просвещение
3. Китайгородский А.И. Физика для всех. Книга 4. Фотоны и ядра. М.: Наука
4. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика. Оптика. Квантовая физика. 11 класс: учебник для углублённого изучения физики. М.: Дрофа
Задание к уроку .
1. В результате термоядерной реакции соединения двух протонов образуется дейтрон и нейтрино. Какая ещё появляется частица?
2. Найти частоту γ -излучения, образующегося при термоядерной реакции:
Читайте также: