Энергия
ядерного
синтеза
МурсякаевМаратАсяатович, ученик 10-гокласса, школы№75 г.
Черноголовка
Докладнаконференции "Стартвнауку", МФТИ, 2004.
Какизвестно, ядерныепревращениямогутсопровождатьсязначительнымвыделениемэнергии. Так, вядерныхреакцияхсинтезагелияитритияизядер - изотоповводородаимеем d + t 4He + n + 17,6 МэВ,
d + d 3He + n + 3,3 МэВ,
d + d t + p + 4,0 МэВ,
p + d 3He + g + 5,5 МэВ.
Символы p, n, d, t, He, g отвечаютсоответственнопротону, нейтрону, ядрамдейтерия, трития, гелияи g-кванту.
Напомним, что 1 МэВ = 106 эВ (электронвольт). ЯдерныйсинтезявляетсяисточникомизлученияСолнца (идругихзвезд).
Выделениеэнергиивядерныхреакцияхвмиллионыразпревышаетэнерговыделениеприобычномгорении. ВвидубыстрогоистощенияресурсовестественныхисточниковэнергиинаЗемле (нефть, газ, уголь) актуальнойявляетсяпроблемаовладенияядернойэнергией. Ужесуществующаяядернаяэнергетикаосновананаиспользованииреакцийделения.
Необходимымусловиемпротеканиятакихреакцийявляетсясближениеядерводороданамалыерасстояния, сравнимыесразмерамиядер. Дляэтоговодороднагреваютдосотенмиллионовградусов. Этотспособназываетсятермоядерным. Довысокойтемпературывеществоможетбытьнагретодвумяспособами: путёмудержаниявеществавмагнитныхловушкахлибовзрывнымспособом, гдевеществоудерживаетсязасчётинерционныхсил.
Поэтомупроблемапромышленногополученияэнергииспомощьюядерныхреакцийсинтезаполучиланазваниетермоядерной. Внастоящеевремяизвестныдваспособаосуществлениясамоподдерживающейсятермоядернойреакции.
1. Медленнаяреакция, самопроизвольнопроисходящаявнедрахСолнцаидругихзвезд. Вэтомслучаеколичествореагирующеговеществанастолькоколоссально, чтооноудерживаетсяисильноуплотняется (до 100 г/см3 вцентреСолнца) гравитационнымисилами.
2. Быстраяреакциянеуправляемогохарактера, происходящаяпривзрывеводороднойбомбы. Вкачествеядерноговзрывчатоговеществавводороднойбомбеиспользуютсяядралегкихэлементов (например, ядрадейтерияилития). Высокаятемпература, необходимаядляначалатермоядерногопроцесса, достигаетсяврезультатевзрываатомнойбомбы, котораявходитвсоставводороднойбомбы (рис. 1).
Условиесуществованияреакциисинтезасостоитвтом, чтобывыделившаясяэнергияпревышалаэнергию, уносимуюизплазмыэлектромагнитнымикорпускулярнымизлучением. Приравенствеэтихвеличинреакциясинтезабудетпротекать, ногенерацииизбыткаэнергиидляполезногоиспользованияпроисходитьнебудет. Эторавенствоназываетсяусловиемзажиганиятермоядернойреакции. ВоценочноманалитическомвидеоновпервыебылополученоамериканскимфизикомДж.Д. Лоусономв 1957 годуиназываетсякритериемЛоусона:
nt ~ L(T ),
где t - среднеевремяудержанияплазмывактивнойзонереактора; L(T ) - коэффициентЛоусона, зависящийоттемпературы, типалегкихядерипотерьнаизлучение.
Исследованияпоказали, чтокритерийЛоусонадолженбыть nt ~ 1014 с/см3.
Такимобразом, дляосуществленияреакциисинтезавдейтерий-тритиевойплазменеобходимообеспечитьвысокуютемпературу (нагреть) иконцентрациюионов (сжать) втечениеопределенноговремени (удержать). ДетальнорассматриваютсядваспособарешенияпроблемыУТС:
- длительный (t ~ 0,17 с) нагревдейтерий-тритиевойплазмынизкойплотности (n ї 1014 см- 3) вопределенномобъемепритемпературепорядка 108 К;
- высокоскоростной (около 10- 9 с) нагревмалыхобъемовконденсированноготермоядерноготоплива (n ї 1023 см- 3).
БольшинствоисследованийпопроблемеУТСпроведеносплазмоймалойконцентрации. Основнойзадачейэтогонаправленияявляетсяобеспечениедлительноговремениудержанияплазмы. Дляпредотвращениясоприкосновениясостенкамирабочегообъемаиспользуютсямагнитныеполяразличнойконфигурации. Измагнитныхловушеквнастоящеевремяспециалистысчитаютнаиболееперспективнойловушку, называемуюТОКАМАКом (тороидальнаякамерасмагнитнымикатушками). НеостанавливаясьподробнонадостиженияхипроблемахТОКАМАКов, отметим, чтовконце 70-хгодовстраны
ВтороенаправлениеисследованийсплазмойвысокойконцентрацииначалоразвиватьсяученымиСШАиСССРвначале 60-хгодов. Альтернативностьэтогонаправлениявыражаетсявтом, чтоегоразработчикипредложилинепреодолеватьогромныетрудностипоудержаниюнеустойчивыхплазменныхсгустков, асоздатьтакиеусловия, прикоторыхзначимаячастьтермоядерноготопливасгорелабыбыстрее, чемоноразлетится. Временныепараметрыэтогопроцессаопределялисьинерциейтопливнойсмеси. Этонаправлениеполучилоназваниеинерциальноготермоядерногосинтеза (ИТС). Идеязаключаласьвтом, чтодейтерий-тритиеваясмесьвконденсированном (замороженном) состояниисверхбыстронагреваетсядотемпературыпорядка 108 К. Длительностьсохраненияобъематопливаопределяетсявременемразлетаплазмы, котороеимеетпорядок d / u, где d - линейныйразмеробъема, u - средняяскоростьчастицнагретойплазмы. Этовремяможнопринятьзавремяудержанияплазмы, котороевходитвкритерийЛоусона . Тогдаможнооценитьразмер d: n * d / u ~ L, откуда d ~ L " u / n. Используядлядейтерий-тритиевойплазмызначения L 1014 c/см3, u = 108 см/си n = 5 * 1022 см3, получимзначение d = 2 мм, авремяудержания t = 2 * 10- 9 с.
Наэтихдвухпутяхфизикидобилисьпримерноодинаковогоуровня- физикапроцессовясна, новпередибольшиеинженерно-техническиетрудности.Помимоописанныхспособовсуществуетпринципиальнодругойспособполученияядернойэнергиисинтеза–мезонныйкатализ, позволяющийобойтисьбезиспользованиявысокихтемператур. Основнаяидея m-катализасостоитвследующем. Находящийсявводороднойсреде, содержащейядра-изотопы d и t, свободныймюонобразуетсначаламюонныйатом (dm , tm), азатемимезомолекулярныйион. Втакомионеблагодаряегомалымразмерамдостаточнобыстропротекаетсоответствующаяядернаяреакциясинтеза. Приэтомпроисходитвысвобождениемюона (еслиегонеподхватитобразующеесявреакциизаряженноеядро) ицепочкаописанныхпревращенийповторяетсядомоментараспадамюона.
Вбомбахвыполненияусловиятермоядерногогорениядостиглизапятилетку. ВУТСнесмотрянадесятилетияинтенсивныхисследований, практическирезультатдосихпорнеполучен. ПоэтомуучёныеВсероссийскогонаучно-исследовательскогоинститутатехническойфизики (РФЯЦ-ВНИИТФ) городаСнежинска (ранееЧелябинск-70) предлагаютвзрыватьнебольшиетермоядерныезарядывКВС (КотлыВзрывногоСгорания) .
Такможетвыглядетькотелвзрывногосгорания. Встальнойемкости (1) содержитсянесколькодесятковтысячтоннтеплоносителя - жидкогонатрия (2). Заряд (3) собираютизотдельныхкомпонентовиопускаютвемкостьпоканалудоставки (4). Послевзрывагорячийжидкийнатрийпоступаетвтеплообменник (5), гдепроизводитсяводянойпарвысокогодавления. Парвращаеттурбину (6), соединеннуюсэлектрическимгенератором. Дляосколковделения (порядкатоннывгод) оборудованмогильник (7); "недогоревшее" топливо (уран, плутоний) ипродуктыреакции (гелий-3, тритий) направляютвпереработку.
Вееосуществлениинетпринципиальныхпроблем. Большаячастьтого, чтонужнодлясозданияэкспериментальногоКВС, ужесделана. Производитьтермоядерныевзрывыдейтериямощностьювдесяткитоннидажеоднукилотоннунаучилисьдавно. Проблемасозданиясверхвысокихтемпературидавлений, необходимыхдля "управляемых" взрывовмощностьювтоннытротиловогоэквивалента, приэтомснимается, посколькугорениедейтерияинициируетсянебольшимвзрывомзаряда, состоящегоизурана-233. Вприродеонневстречается; егополучаютиздостаточнораспространенноговприродетория. Причемторияиуранадлявзрывнойэнергетикитребуетсявтысячиразменьше, чемдляработыАЭСтойжемощности. Соответственновсотниразуменьшаетсяколичестворадиоактивныхотходов, ахимическиезагрязненияпрактическиотсутствуют.
Список литературы
1. ПономаревЛ.И. Подзнакомкванта. М: Сов.Россия. 1984. 352 с.
2. ВороновГ.С. Штурмтермоядернойкрепости. М.: Наука, 1985, 192 с. (Б-чка“Кванта”; вып. 37) 3. ГерштейнС.С., ПетровЮ.В., ПономаревЛ.И. УФН, 1990. Т.160, вып. 8. С. 3-46.
4. КарнаковБ.М. Мюонныйкатализядерногосинтеза. Соровскийобразовательныйжурнал.1999. №12. С 62-67.