Синтез ядер

Источником огромной энергии может служить реакция синтеза атомных ядер – обра­зование из легких ядер более тяжелых. Удельная энергия связи ядер (см.рис.19.1) резко увеличивается при переходе от ядер тяжелого водорода (дейтерия и трития ) к литию и особенно к гелию , т. е. реакции синтеза легких ядер в более тяжелые должны сопровождаться выделением большого количества энергии. Например, в реакции синтеза дейтерия и трития

(20,9)

выделяется энергия Q = 17,6 Мэв или З,5 МэВ на нуклон, в то время как в реакции (20,6) деления тяжелого ядра выделяется энергия 1,1 МэВ на один нуклон.

Для слияния легких ядер необходимо, чтобы они сблизились на расстояние около 10^-14 м, т.е., на расстояние действия ядерных сил. Этому сближению препятствуют силы кулоновского отталкивания ядер. Чтобы эти силы преодолеть, необходимо чтобы ядра двигались навстречу друг другу, имея большую кинетическую энергию, большую скорость. Для этого необходимо в активной зоне реакции поддерживать очень высокую температуру. Поэтому реакции синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящие при сверх­высоких температурах (примерно 10⁷ К и выше), называются термоядерными реак­циями.

Термоядерные реакции играют большую роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и звезд имеет термоядерное происхождение. Температура в центральной части звезды столь велика, что в ней протекают реакции синтеза ядер водорода с образованием гелия. Чем выше температура внутри звезды, тем более тяжелые ядра могут образовываться в результате синтеза. Так объясняется многообразие химических элементов во Вселенной.

Впервые искусственная термоядерная реакция осуществлена в нашей стране (1953), а затем (через полгода) в США в виде взрыва водородной (термоядерной) бомбы, являющегося неуправляемой реакцией. Взрывчатым веществом служила смесь дей­терия и трития, а запалом – «обычная» атомная бомба, при взрыве которой возникает необходимая для протекания термоядерной реакции температура.

Особый интерес представляет осуществление управляемой термоядерной реакции, для обеспечения которой необходимо создание и поддержание в ограниченном объеме температуры порядка 10⁸ К. Так как при данной температуре термоядерное рабочее вещество представляет собой полностью ионизованную плазму, возникает проблема ее эффективной термоизоляции от стенок рабочего объема. На данном этапе развития считается, что основной путь в этом направлении – это удержание плазмы в ограниченном объеме сильными магнитными полями специаль­ной формы.

Начало широкого международного сотрудничества в области физики высокотемпературной плазмы и управляемого термоядерного синтеза, положено работами И. В. Курчатова.

Под руководством Л. А. Арцвмовича коллектив ученых Института атомной энергии (ИАЭ) им. И. В. Курчатова осуществил широкий круг исследований, результатом которых явился пуск летом 1975 г. в ИАЭ крупнейшей в мире термоядерной установки «Токамак-10».

В этой установке плазма создается в тороидальной камере, находящейся в магнитном поле. Магнитное поле формирует плазменный шнур, также имеющий форму тора и отделенный от стенок камеры, температура которого примерно ×10⁷К, плотность примерно 10¹⁴ частиц/см³ и время удержания плазмы около 1 с. Однако, этого пока еще недостаточно для промышленного использования термоядерного синтеза, исследования продолжаются..

Управляемый термоядерный синтез открывает человечеству доступ к неисчерпаемой «кладо­вой» ядерной энергии, заключенной в легких элементах. Наиболее заманчивой в этом смысле является возможность извлечения энергии из дейтерия, содержащегося в обычной воде. В самом деле, количество дейтерия в океанской воде составляет примерно 4×10¹³ т, чему соответствует энергетический запас 10¹⁷ МВт×год. Другими словами, эти ресурсы не ограничены. Остается только надеяться, что решение этих проблем – дело недалекого будущего.

Дата добавления: 2014-01-04