Проблема управляемого термоядерного синтеза - одна из важнейших задач, стоящих перед человечеством.
Человеческая цивилизация не может существовать, а тем более развиваться без энергии. Все хорошо понимают, что освоенные источники энергии, к сожалению, могут скоро истощиться. По данным Мирового энергетического совета, разведанных запасов углеводородного топлива на Земле осталось на 50-80 лет.
Исследователи всех развитых стран связывают надежды на преодоление грядущего энергетического кризиса с управляемой термоядерной реакцией. Такая реакция - синтез гелия из дейтерия и трития - миллионы лет протекает на Солнце, а в земных условиях ее вот уже пятьдесят лет пытаются осуществить в гигантских и очень дорогих лазерных установках, токамаках и стеллараторах. Однако есть и другие пути решения этой непростой задачи, и вместо огромных токамаков для осуществления термоядерного синтеза можно будет, вероятно, использовать довольно компактный и недорогой коллайдер - ускоритель на встречных пучках.
Для работы Токамака необходимо очень небольшое количество лития и дейтерия. Например, реактор с электрической мощностью 1 ГВт сжигает около 100 кг дейтерия и 300 кг лития в год. Если предположить, что все термоядерные электростанции будут производить 10 трлн. кВт/ч электроэнергии в год, то есть столько же, сколько сегодня производят все электростанции Земли, то мировых запасов дейтерия и лития хватит на то, чтобы снабжать человечество энергией в течение многих миллионов лет.
Кроме слияния дейтерия и лития возможен чисто солнечный термояд, когда соединяются два атома дейтерия. В случае освоения этой реакции энергетические проблемы будут решены сразу и навсегда.
В любом из известных вариантов управляемого термоядерного синтеза термоядерные реакции не могут войти в режим неконтролируемого нарастания мощности, следовательно, таким реакторам не присуща внутренняя безопасность.
Отличительной особенностью термояда является почти полная радиационная безопасность. Специалисты утверждают, что термоядерная электростанция с тепловой мощностью 1 ГВт в плане радиационной опасности эквивалентна урановому реактору деления мощностью 1 КВт - типичный университетский исследовательский реактор. Это обстоятельство во многом является решающим фактором, вызывающим пристальное внимание правительств ведущих стран к термоядерной энергетике при тесном международном сотрудничестве в этой области. Создана специальная международная программа, призванная в ближайшем будущем избавить человечество от надвигающегося энергетического кризиса.
До начала 1990-х годов, ни о каком сотрудничестве в области термояда речи не было. Все усилия двух супердержав были направлены на создание все более мощного термоядерного оружия, а проблемы энергетики рассматривались как "побочный продукт". Тем не менее, в 1954 г. в СССР под руководством Леонтовича в Институте атомной энергии удалось построить первый Токамак. Нарастание мощности термоядерных реакций в середине 1960-х годов позволило серьезно "подтолкнуть" проблему управляемого термоядерного синтеза.
Чернобыльская трагедия, многочисленные аварии на ядерных реакторах военного назначения, как в России, так и США, а, главное, изменение коренным образом общеполитической ситуации в мире привели к тому, что в 1998 г. при участии России, США, стран Европы и Японии был закончен инженерный проект Токамак-реактора "ИТЕР", рассчитанного на долговременное термоядерное горение смеси дейтерия с литием. Программа "ИТЕР" стоимостью 5 млрд. долл. предусматривает строительство в 2010-2015 гг. экспериментального Токамака мощностью 1 ГВТ, а в 2030-2035 годы планируется закончить строительство первого в мире демонстрационного термоядерного реактора производить электричество, избавив нас, таким образом, от проблемы "снабжения".
Рис. 2. Деление ядра урана-235
Существует несколько возможных результатов деления ядра урана-235:
1. Распад на барий и криптон с выделением трёх нейтронов:
2. Распад на ксенон и стронций с выделением двух нейтронов:
Делением ядра называется ядерная реакция деления тяжёлого ядра, возбуждённого захватом нейтрона, на две приблизительно равные части, называемые осколками деления.
Ядра урана-238 могут делиться лишь под влиянием нейтронов большой энергии (быстрых нейтронов). Такую энергию имеют только 60 % нейтронов, появляющихся при делении ядра урана-238. Примерно только 1 из 5 образовавшихся нейтронов вызывает деление ядра.
Механизм превращения энергии во время деления ядра. Единица измерения энергии
Поскольку масса покоя тяжёлого ядра урана больше суммы масс покоя осколков, образующихся в результате распада, то реакция деления протекает с выделением энергии. Вычислить эту энергию можно по аналогии с энергией связи.
, где
Кулоновские силы, разгоняя осколки ядра, придают им определённую кинетическую энергию. Однако эти осколки тормозятся окружающей средой, преобразуя свою кинетическую энергию во внутреннюю энергию окружающей среды. Таким образом, вследствие деления ядер урана наблюдается колоссальный нагрев всего окружающего пространства. Для примера, при полном делении всех ядер одного грамма урана выделится энергия эквивалентная сгоранию 2,5 т нефти.
Использовать стандартную единицу измерения энергии (Дж) для ядер не совсем удобно, так как энергия одного ядра крайне мала. Для микромира была введена специальная единица измерения – электронвольт.
Один электронвольт равен работе, которую должно совершить поле при перемещении элементарного заряда между разностью потенциалов 1 В.
Цепная ядерная реакция
Любой из нейтронов, вылетающий из ядра, может попасть в соседнее ядро и вызвать излучение им новых нейтронов, которые, в свою очередь, попадут в новые ядра, и те излучат новые нейтроны. В результате получается процесс, который поддерживает сам себя. Такой процесс называется цепной ядерной реакцией.
Цепная ядерная реакция – самоподдерживающаяся реакция деления тяжелых ядер, в которой непрерывно воспроизводятся нейтроны, делящие все новые и новые ядра.
Суть такой реакции заключается в том, что на первом этапе распада выделяется, допустим, N нейтронов, на следующем этапе – нейтронов, и т. д. (см. Рис. 3). Количество нейтронов в реакции растёт в геометрической прогрессии. Это приводит к тому, что колоссально растёт выделяемая энергия, которая позволяет реакции поддерживать саму себя.
Возможны различные варианты протекания цепных ядерных реакций, эти процессы позволяет описывать физическая величина, которая называется критическая масса.
Критическая масса () – минимальное количество делящегося вещества, необходимое для начала самоподдерживающейся цепной ядерной реакции. Критическая масса известна для различных радиоактивных элементов (для урана-235 она составляет 48 кг).
Рис. 3. Рост числа нейтронов при цепной реакции
В зависимости от массы рассматриваемого образца цепные ядерные реакции делят на следующие формы протекания:
1. Если масса образца меньше критической массы (), то число нейтронов убывает и реакция затухает.
2. Если масса образца больше критической массы (), то число нейтронов лавинообразно увеличивается, реакция становится неуправляемой, что приводит к взрыву.
3. Если масса образца соответствует критической, протекает управляемая цепная реакци
Объяснение:
