Термоядрен синтез

1. Ядрен синтез

   Да разгледаме графиката, изразяваща специфичната енергия на връзката като функция на масовото им число A. Специфичната

енергия на връзката има най- голяма стойност за ядрата с масово число около 60. Следователно както в тежките, така и в леките ядра нуклоните са по- слабо свързани, отколкото в ядрата от средата на периодичната система. Затова са възможни два противоположни процеса, при които се отделя енергия:

  1. Делене на тежки ядра
  2. Сливане на две леки ядра

    Процесът, при който две леки ядра се сливат и се образува ядро с по- голямо масово число и по- голяма енергия на връзката, се нарича реакция на ядрен синтезТъй като общата маса на получените след ядрения синтез ядра и частици е по- малка от общата маса на изходните ядра, процесът на сливане е съпроводен с отделяне на енергия: част от енергията на покой на изходните се превръща в кинетична енергия на продуктите на ядрения синтез (фиг. 8-1).

    Енергията, която се освобождава при сливането на две леки ядра, е десетина пъти по- малка от енергията, освободена при деленето на едно тежко ядро. Тъй като в едно делене участват около 240 нуклона, а в една реакция на синтез- само няколко нуклона, при синтеза (пресметнато на един нуклон) се отделя много повече енергия, отколкото при деленето. От тази гледна точка реакциите на синтез са по- изгодни от реакциите на делене.

    Интерес за ядрената енергетика представляват реакциите на ядрен синтез, в които участват изотопите на водорода деутерий () и тритий () (фиг. 8-2).

    Най- голяма енергия (17,6 MeV) се отделя при реакцията Излъченият при реакцията неутрон отнася 80% от освободената енергия (кинетична енергия на неутрона), а останалите 20% преминават в кинетична енергия на полученото при сливането хелиево ядро (α- частица) (фиг. 8-3).

Фиг. 8- 3. Ядрен синтез на деутерий и тритий

2. Термоядрен синтез

    Сливане на две положително заредени ядра е възможно само ако те имат достатъчно голяма китетична енергия, за да преодолеят електричните сили на взаимно отблъскване и да се доближат на такива малки разстояния (около ), на които ядрените сили на привличане стават по- големи от силите на електрично отблъскване. Необходимата кинетична енергия може да се получи чрез загряване на средата, съдържаща леки ядра, до неколкостотин милиона градуса (фиг.8-4). При такава огромна температура атомите са напълно йонизирани и веществото се намира в плазмено състояние: представлява смес от свободни електрони и атомни ядра с голяма кинетична енергия. В такъв случай процесът на сливане на леките ядра се нарича термоядрен синтез.

Фиг. 8-4. Необходимата кинетична енергия може да се получи чрез загряване на средата, съдържаща леки ядра, до неколкостотин милиона градуса

3. Управляем термоядрен синтез

    Устройствата, с които се получава енергия чрез управляеми реакции на термоядрен синтез, се наричат термоядрени реактори. Термоядрените реактори, използващи за гориво деутерий и тритий, имат редица предимства пред реакторите, в които се осъществява делене на урана. Преди всичко тяхното гориво е много по- евтино и практически е в неограничено количество. Деутерият се съдържа в обикновената вода: от 1 вода може да се извлече около 30 g деутерий. Необходимият за реакцията тритий се получава като страничен продукт при работата на самия реактор. Освен това в термоядрените реактори се създават много по- малко радиоактивни продукти и опасността за радиоактивно замърсяване на околната среда е минимална.

    Практическото използване на термоядрения синтез за производство на елетроенергия обаче е все още нерешен проблем. За протичане ва управляем термоядрен синтез в реактора трябва да са изпълнени следните три условия:

  1. Създаване на високотемпература плазма.
  2. Поддържане на голяма плътност на плазмата, за да се увеличи броят на ударите между ядрата.
  3. Задържане на плазмата достатъчно дълго време, за да се осъществи сливането на леките ядра в резултат на ударите между тях. При това плазмата не трябва да се допира до стените на реактора. При допир плазмата се охлажда, а веществото на стените се изпарява и термоядреният синтез става невъзможен.

    За задържане и свиване на високотемпературната плазма се използва силно магнитно поле, което се създава в специална камера (фиг. 8-5), наречена "Токамак" (тороидална камера със стабилизиращо магнитно поле). Първият експериментален термоядрен реактор от типа "Токамак" е създаден през 1963 година в Съветския съюз. Сега в редица научноизследователски лаборатории от Европа, Япония и САЩ работят различни разновидности на реакторите "Токамак", в които отделената при термоядрения синтез мощност достига няколко мегавата. Разработени са проекти за термоядрени реактори с мощност 1000 MW.

      Източник: https://energyv1.petosoubl.com

 

    На фиг. 8-6 схематично е показан друг метод за осъществяване на управляем термоядрен синтез- с помощта на лазерно лъчение. Върху малко топче (с диаметър около 1 mm) от замръзнала смес от деутерий и тритий едновременно и симетрично от различни страни се фокусират няколко снопа мощно лазерно лъчение (фиг. 8-7). (В американската програма "Омега" броят на сноповете е 24.) То предизвиква много бързо изпарение на повърхонстния слой на топчето. Както приреактивното движение, излитащите с голяма скорост изпарени частици действат с огромни сили на натиск върху вътрешната част на топчето и намаляват обема й над 1000 пъти. При бързото свиване плътността и температурата на сместта рязко нарастват и се създават условия за протичане на термоядрен синтез.


                        Изтегли в .pdf                     Изтегли в .docx

Дали научихме всичко?

Проверете със следния тест!

Любопитно
Идеята за използване на управлявана от човека синтезна реакция на практика се появява за пръв път с военни цели в ядрените оръжия. Във водородната бомба, енергията освободена от атомната бомба е използвана да компресира и загрее горивото за синтеза. Започнал, процесът на сливане освобождава голямо количество неутрони, което засилва реакцията на разпад. Първите оръжия, базирани на „разпад-синтез-разпад”, са освободили 500 пъти по-голяма енергия от първите атомни бомби.

Фиг. 8-1. При ядрения синтез масата намалява с Δm, при което се отделя енергия

Фиг. 8- 2. Ядрен синтез

Андрей Сахаров (1921-1989), руски физик. През 1950 година Сахаров и И. Там предлагат да се използват магнитни полета за задържането и термоизолацията на плазмата при управляем термоядрен синтез.

Фиг. 8-5. Снимка на вътрешността на тороидална камера на термоядрения реактор от типа "Токамак" в Лабораторията по физика на плазмата в Принстън (САЩ).

Фиг. 8-6. Термоядрен снитез с помощта на лазери (принципна схема). Означенията са съответно:

1. ЛАЗЕРНИ "ПРОЗОРЦИ"
2. СТЕНА НА КОНТЕЙНЕРА
3. ДЕУТЕРИЙ
- ТРИТИЕВА МИШЕНА
4. ПОГЛЪЩАТЕЛ НА НЕУТРОНИ
5. ЛАЗЕРНИ ЛЪЧИ

Фиг. 8-7. Лазерен термоядрен реактор