Що таке термоядерна реакція у фізиці. Термоядерні реакції

Під час уроку всі охочі зможуть отримати уявлення про тему «Термоядерна реакція». Ви дізнаєтеся, що є термоядерна реакція, або реакція синтезу. Дізнаєтеся, які елементи та за яких умов можуть вступити в даний вид реакції, та познайомитеся з розробками використання термоядерної реакції у мирних цілях.

Термоядерними реакціями(або просто термоотрутою) називають реакції злиття легких ядер в одне ціле нове ядро, в результаті якого виділяється велика кількість енергії. Виявляється, велика енергія виділяється у результаті поділу важких ядер, ще більше енергії виділяється, коли легкі ядра зливаються разом, з'єднуються. Цей процес називають синтезом. А самі реакції – термоядерним синтезом, термоядерними реакціями.

Які ж елементи беруть участь у цих реакціях? Це насамперед ізотопи водню та ізотопи гелію. Для прикладу можна навести таку реакцію:

Два ізотопи водню (дейтерій та тритій), з'єднуючись разом, дають ядро ​​гелію, ще утворюється нейтрон. Коли відбувається така реакція, виділяється величезна енергія Е = 17,6 МеВ.

Не забувайте, що це лише на одну реакцію. І ще одна реакція. Два ядра дейтерію, зливаючись разом, утворюють ядро ​​гелію:

У цьому випадку виділяється також велика кількість.

Звертаю вашу увагу: щоб такі реакції протікали, потрібні певні умови. Насамперед потрібно зблизити ядра зазначених ізотопів. Ядра мають позитивний заряд, у разі діють кулонівські сили, які розштовхують ці заряди. Отже, треба подолати ці кулонівські сили, щоби наблизити одне ядро ​​до іншого. Це можливо тільки в тому випадку, якщо самі ядра мають велику кінетичну енергію, коли швидкість у цих ядер досить велика. Щоб досягти цього, потрібно створити такі умови, коли ядра ізотопів будуть володіти цією швидкістю, а це можливо лише за дуже високих температур. Тільки так ми зможемо розігнати ізотопи до швидкостей, які дозволять зблизитися на відстань приблизно 10 -14 м.

Мал. 1. Відстань, на яку потрібно зблизити ядра для термоядерної реакції

Ця відстань якраз та, з якої починають діяти ядерні сили. Значення необхідної температури становить порядку t° = 10 7 - 10 8° C. Досягти такої температури можна, коли зроблено ядерний вибух. Таким чином, щоб зробити термоядерну реакцію, ми спочатку повинні зробити реакцію поділу важких ядер. Саме в цьому випадку ми досягнемо високої температури, а вже потім дана температура дасть змогу зблизити ядра ізотопів до відстані, коли вони можуть з'єднатися. Як ви розумієте, саме в цьому закладено принцип так званої водневої бомби.

Мал. 2. Вибух водневої бомби

Нас, як мирних людей, цікавить насамперед використання термоядерної реакції у мирних цілях для створення тих самих електростанцій, але вже найновішого типу.

В даний час ведуться розробки після того, як створити керований термоядерний синтез. Для цього використовуються різні методи, один із них: використання лазерів для отримання високих енергій та температур. За допомогою лазерів їх розганяють до високих швидкостей і в цьому випадку може протікати термоядерна реакція.

В результаті термоядерної реакції виділяється величезна кількість тепла, то місце в реакторі, в якому будуть знаходитися ізотопи, що взаємодіють один з одним, потрібно добре ізолювати, щоб речовина, яка буде знаходитися при високій температурі, не взаємодіяла з навколишнім середовищем, зі стінками того об'єкта, де воно знаходиться. Для такої ізоляції використається магнітне поле. При високій температурі ядра електрони, які знаходяться разом, являють собою новий вид матерії - плазму. Плазма - це частково або повністю іонізований газ, а якщо газ іонізований, то він чутливий до магнітного поля. Плазма - електропровідна, за допомогою магнітних полів можна надавати їй певної форми і утримувати в певному обсязі. Тим не менш, технічне рішення керування термоядерною реакцією залишається поки невирішеним.

Мал. 3. ТОКАМАК – тороїдальна установка для магнітного утримання плазми

На закінчення хотілося б ще відзначити: термоядерні реакції відіграють важливу роль в еволюції нашого всесвіту. Насамперед зазначимо, що термоядерні реакціїпротікають на Сонце. Можна сказати, що саме енергія термоядерних реакцій – це та енергія, яка сформувала нинішній вигляд нашого всесвіту.

Список додаткової літератури

1. Бронштейн М.П. Атоми та електрони. "Бібліотечка "Квант"". Вип. 1. М: Наука, 1980

2. Кікоїн І.К., Кікоїн А.К. Фізика: Підручник для 9 класу середньої школи. М.: Просвітництво

3. Китайгородський А.І. Фізика всім. Книга 4. Фотони та ядра. М: Наука

4. Мякішев Г.Я., Синяков А.З. фізика. Оптика. Квантова фізика. 11 клас: підручник для поглибленого вивчення фізики. М.: Дрофа

Завдання до уроку.

1. В результаті термоядерної реакції з'єднання двох протонів утворюється дейтрон та нейтрино. Яка ще з'являється частка?

2. Знайти частоту γ -випромінювання, що утворюється при термоядерній реакції:

Якщо α -частка набуває енергії 19.7 МеВ

Термоядерні реакції на Сонці та зірках. Водневий цикл. Вуглецевий цикл. Нуклеосинтез. Термоядерний вибух. Керований термоядерний синтез

Термоядерні реакції- Реакції злиття (синтезу) легких атомних ядер у більш важкі, що відбуваються при дуже високих температурах (більше 10 8 До). Термоядерні реакції - це процес утворення щільно упакованих ядер з більш пухких легких ядер. Це екзоенергетичні реакції, що йдуть з виділенням у продуктах реакції надлишкової кінетичної енергії, що дорівнює збільшенню повної енергії зв'язку.

Для всіх реакцій синтезу ядер необхідно зблизити ядра, що реагують, на відстань радіуса дії ядерних сил. Для цього слід подолати електростатичний кулоновський бар'єр відштовхування ядер. На рис 1.15 показано графік залежності потенційної енергії від відстані між ядрами.

Мал. 1.15. Потенційна енергія міжядерної взаємодії як відстань між ядрами. Штрихуванням показано «зрізання» бар'єру відштовхування на борівському радіусі негативного мюона в кулонівському полі ядра

1. Бомбардування ядер пучком дейтронів безперспективне. Енергія дейтронів витрачається на іонізацію та збудження електронів в атомах мішені. Ефективний переріз взаємодії дейтронів з електронами σ e ~ 10 -16 см 2 , а з ядрами σ я ~ 10 -24 см 2 σ e >> σ я.

2. Мюонний каталіз (теоретично можливий, експериментально не реалізований). Кулонівське поле ядра можна екранувати мюоном («важким електроном» з часом життя 2,2…10 -6 сек) на борівській орбіті. Розмір атома зменшується у 212 разів, т.к. . Утворюються мезомолекулярні іони. DH μ . Можлива реакція

3. «Зім'яття» зовнішньої широкої частини потенційного кулонівського бар'єру показано штрихуванням (на рис.1.15). Здійснюється силою тяжіння, що створює колосальний тиск при щільності плазми >> 104 г/см 3 у зірках.

4. При нагріванні речовини до температури ядер ТЯ ~ 10 9 До, (1еВ відповідає 11 000 К, 0,1 МеВ = 10 5 эВ ~ 10 9 К). Речовина за таких температур утворює високотемпературну плазму. Механізм реалізований у земних умовах.

Приклади термоядерних реакцій:

1. Реакція синтезу ізотопів водню дейтрону та тритону з утворенням ядра гелію та нейтрону:

Перетин реакції ма x = 5 барн. Енергія дейтрона, що налітає Т d= 0,1 МеВ. Енерговиділення на один нуклон у термоядерній реакції синтезу (МеB/нуклон) перевищує виділення енергії на 1 нуклон у ядерній реакції поділу урану-235 ( q справ= 200/235 = 0,85 МеB/нуклон) у 4 рази.

2. Реакція синтезу двох дейтронів:

1-й вихідний канал: переріз реакції σ ма x = 0,09 барн, Т d = 1 МеВ.

2-й вихідний канал: переріз реакції σ ма x = 0,16 барн, Т d = 2 МеВ.

Перетин термоядерних реакцій при малих значеннях енергій ( Е
,

де Аі Упостійні.

Термоядерні реакції відбуваються внаслідок парних зіткнень між ядрами. Число зіткнень в одиниці об'єму в одиницю часу дорівнює

N 12 = n 1 n 2 v σ (v)> ,
Термоядерний вибух

Штучна термоядерна реакція реалізується в земних умовах у некерованому режимі в термоядерному (водневому) пристрої, де температура > 10 7 K створюється вибухом плутонієвого або уранового детонатора. Речовина дейтери – гідрид літію. Час розльоту складає мікросекунди. Ймовірна схема реакцій

МеB. (1.97)
Нейтрони реакції (1.97) походять від розподілу ядер . Основна енергія виділяється в реакціях (1.96) та (1.97), які утворюють цикл, взаємно підтримуючи один одного та залишають без зміни кількість нейтронів та ядер тритію. Реакції (1.94) і (1.95) є початковим джерелом нейтрон і ядер тритію. Швидкість реакції (1.94) та (1.95) у 100 разів менша, ніж швидкість реакцій (1.96) та (1.97) .
Керований термоядерний синтез (УТС)

Керований термоядерний синтез– процес злиття легких атомних ядер, що проходить з виділенням енергії при високих температурах у регульованих керованих умовах. УТС досі не реалізовано (2010р.).

Для реакції синтезу необхідно зблизити ядра на відстань ~ 10-11 см, після чого починається злиття ядер за рахунок тунельного ефекту. Для протонів необхідна енергія 10 кэB, що відповідає Т = 108К.

Усі роботи з УТС засновані на здійсненні реакції

Відтворення тритію можна здійснити, оточивши робочу зону шаром літію, та використовувати реакцію

Нехай τ – середній час утримання частинок активної зоні , n – концентрація частинок (ядер). Нехай коефіцієнт перетворення на електричну енергію енергії ядерної реакції. енергії електромагнітного випромінювання плазми та теплової енергії частинок плазми однаковий і дорівнює. В умовах стаціонарної роботи системи при нульовій корисній потужності рівняння балансу енергії в термоядерному реакторі має вигляд нагрівання дуже малих обсягів термоядерної речовини.

Роботи з УТС продовжуються шляхом створення термоядерних реакторів на основі токамака(тороїдальної камери з дейтерієво-тритьєвою плазмою та тороїдальним магнітним полем) та стеллатора(Тороїдальна система з дейтерієво-тритьєвою плазмою і магнітним полем, створюваним зовнішніми обмотками).

Схема Міжнародного термоядерного реактора - експериментального реактора-токамака ІТЕР представлена ​​на рис.1.17. Його параметри: великий радіус плазми 8,1 м, малий радіус плазми 3 м, магнітне тороїдальне поле на осі 5,7 Тл, номінальний струм плазми 21 МА, номінальна термоядерна потужність з дейтерій-трійцевим паливом 1500 МВт. Реактор містить такі основні вузли: соленоїд 1, індуковане або електричне поле здійснює пробій газу і нагріває плазму , перша стінка 9 звернена до високотемпературної плазми і сприймає потік тепла у вигляді випромінювання і частинок, бланкет 2 - захист, в якій відтворюється тритій, що згорів у плазмі , котушки 8 із надпровідника NB 3 Sn створюють тороїдальне магнітне поле. Дивертор 10 служить для відведення тепла з плазми у вигляді потоку заряджених частинок та відкачування продуктів реакції гелію та протию (водню). Вакуумна камера 4 і засоби відкачування 5 створюють високий вакуум робочої камери реактора , де створюється плазма. Будівництво заплановано у Франції (2010 р.). Учасники проекту: Росія, США, Євроатом, Японія. Вартість близько 2 млрд. дол.

Вступ 3

Глава I: елементарні частки та історія

Трохи історії 5

Будова атома 6

Глава II: термоядерні реакції

Види термоядерних реакцій 8

Протон-протонна реакція 9

Вуглецевий цикл 10

Розділ III: сонячна енергія

Термоядерні реакції на більш важких елементах 14

Перші досліди використання сонячної енергії 15

Перетворення сонячної енергії на теплоту, роботу

та електрику 15

Висновок 18

Список використаної літератури 19

ВСТУП

Народження енергетики сталося кілька мільйонів років тому, коли люди навчилися використати вогонь. Вогонь давав їм тепло та світло, був джерелом натхнення та оптимізму, зброєю проти ворогів та диких звірів, лікувальним засобом, помічником у землеробстві, консервантом продуктів, технологічним засобом тощо.

Протягом багатьох років вогонь підтримувався шляхом спалювання рослинних енергоносіїв (деревини, чагарників, очерету, трави, сухих водоростей тощо), а потім виявили можливість використовувати для підтримки вогню викопні речовини: кам'яне вугілля, нафту, сланці, торф.

Прекрасний міф про Прометея, що давав людям вогонь з'явився у Стародавній Греції значно пізніше, як у багатьох частинах світу були освоєні методи досить витонченого поводження з вогнем, його отриманням і гасінням, збереженням вогню та раціональним використанням палива.

Наразі відомо, що деревина – це акумульована за допомогою фотосинтезу сонячна енергія. При згорянні кожного кілограма сухої деревини виділяється близько 20 000 к Дж тепла, теплота згоряння бурого вугілля дорівнює приблизно 13 000 кДж/кг, антрациту 25 000 кДж/кг, нафти та нафтопродуктів 42 000 кДк/к . Найвищою теплотою згоряння має водень 120 000 кДж/кг.

Людству потрібна енергія, причому потреби у ній збільшуються з кожним роком. Разом про те запаси традиційних природних палив (нафти, вугілля, газу та інших.) кінцеві. Кінцеві також і запаси ядерного палива - урану та торію, з якого можна отримати в реакторах-розмножувачах плутоній. Практично невичерпні запаси термоядерного палива - водню, і ось, в "атомне" століття, вчені змогли контролювати ядерний розпад атомів і використовувати велику енергію, що виділяється при цьому процесі.

Ці реакції називаються термоядерними. Про них надалі й йтиметься. Сама назва вже говорить за себе, адже слово "термоядерне" походить від thermos, що означає температура. Таким чином, термоядерні реакції - це реакції, що протікають за великої температури, коли кінетична енергія атомів відіграє значну роль. Як далі буде показано енергія, що виділяється при термоядерних реакціях, досягає колосальних величин. Наразі вже достовірно відомо, що термоядерні реакції є основним джерелом енергії у зірках. Саме в них природа створює такі умови, за яких мають місце ці реакції. Основні приклади термоядерних реакцій: протон-протонний ланцюжок (pp-цикл) та вуглецево-азотний цикл Г. Бете (CNO – цикл). У pp-циклі чотири протони утворюють одне ядро ​​гелію (при цьому два протони повинні перетворитися на нейтрони). Таке з'єднання протонів в ядро ​​гелію може йти різними шляхами, але результат той самий. Енергія, що виділяється при одній реакції:

де Dm – це надлишок маси чотирьох протонів над масою одного ядра гелію:

Е = (4 * 1,00727647 - 4,002603267) * 931,5016 = 24,687 МеВ на одне ядро.

Ця енергія досить вразлива величина, враховуючи, що інтенсивність протікання рр-ланцюжка у зірках дуже велика.

У CNO-циклі ядро ​​атома вуглецю, з масовим числом 12, є каталізатором, тобто в результаті декількох реакцій ядро ​​вуглецю послідовно захоплює 4 протона і, відчуваючи ядерний розпад, знову стає

РОЗДІЛ I . ЕЛЕМЕНТАРНІ ЧАСТИНИ ТА ІСТОРІЯ

ТРІШКИ ІСТОРІЇ

У 1926 р. Еддінгтон опублікував свою книгу "The Internal Constitution of the Stars" ("Внутрішня будова зірок"). У цій книзі були блискуче викладені уявлення на той час про фізичні основи процесів, що відбувалися у зірках. Сам Еддінгтон зробив істотний внесок у формування цих уявлень. Ще до нього було зрозуміло, як функціонують зірки. Проте не було достеменно відомо, звідки береться енергія, яка підтримує випромінювання зірок.

Вже тоді було зрозуміло, що багата на водень зоряна речовина може бути ідеальним джерелом енергії. Вчені знали, що при перетворенні водню на гелій звільняється стільки енергії, що Сонце та інші зірки можуть світити мільярди років. Таким чином, було ясно, що якщо розібратися, в яких умовах йде злиття атомів водню, то було б знайдено чудове джерело енергії зірок. Однак наука тих років була ще дуже далека від того, щоб здійснити перетворення водню на гелій в експериментальних умовах.

Астрофізикам того часу залишалося лише вірити, що зірки є гігантськими ядерними реакторами. Справді, не можна було б уявити жодного іншого процесу, який міг би забезпечити енергією Сонця протягом мільярдів років. Найбільш послідовно цю думку висловив Еддінгтон. Він виходив із численних та багаторазово повторених вимірів світності зірок, які проводили астрономи-спостерігачі. На жаль, фізики на той час вважали, що атомні ядра у зірках що неспроможні реагувати друг з одним.

Еддінгтон вже тоді зміг розрахувати, яка температура має спостерігатися у надрах Сонця. За його розрахунками, вона повинна становити приблизно 40 мільйонів градусів. Така температура, на перший погляд дуже висока, але ядерники вважали, що її недостатньо для перебігу ядерних реакцій. При цій температурі атоми у внутрішніх областях сонця переміщаються щодо один одного зі швидкостями близько 1000 км/с. За таких високих температур атоми водню вже втрачають свої електрони, протони вже вільно переміщаються у просторі. Уявімо, що два протони налітають один на одного і, внаслідок взаємодії, взаємно відштовхуються. При швидкостях 1000 кілометрів на секунду протони можуть наблизитись на дуже малу відстань, але під дією сили електричного відштовхування вони розлетяться перш ніж зможуть об'єднатися в одне ядро. Як показали розрахунки, тільки при температурі понад 10 мільярдів градусів частки рухаються з такими швидкостями, що, незважаючи на сили електричного відштовхування, вони можуть наблизитися один одному і злитися. Сонце з температурою 40 мільйонів градусів здавалося фізикам занадто холодним, щоб у його надрах могло відбуватися перетворення водню на гелій. Однак Еддінгтон був переконаний, що тільки ядерна енергія може підтримувати випромінювання зірок, і мав рацію.

БУДОВА АТОМА

Все що нас оточує, - гірські породи, і мінерали, речовини в атмосфері та морях, клітини рослин і тварин, газові туманності та зірки у Всесвіті у всьому їхньому різноманітті - все це складається з 92 елементарних цеглинок - хімічних елементів. Це було встановлено наукою 19-го століття, яка спростила картину навколишнього світу. Як показують досліди, існує 3 основних типи елементарних частинок, з яких складаються атоми: електрони, протони та нейтрони.

Наприклад, ядро ​​водню складається з протона, а довкола нього обертається електрон.

Протон- це позитивно заряджена частка, маса якої

Термоядерна реакція відноситься до розряду ядерних, але, на відміну від останніх, у ній відбувається процес утворення, а не руйнування.
На сьогоднішній день розробила два варіанти проведення термоядерного синтезу – вибуховий термоядерний синтез та керований термоядерний синтез.

Кулонівський бар'єр чи чому люди ще не злетіли на повітря

Атомні ядра несуть позитивний заряд. Це означає, що з їх зближенні починає діяти сила відштовхування, яка обернено пропорційна квадрату відстані між ядрами. Однак на певній відстані, яка дорівнює 0,000 000 000 001 см, починає діяти сильна взаємодія, що призводять до злиття атомних ядер.

Внаслідок цього виділяється колосальна кількість енергії. Та відстань, яка перешкоджає злиттю ядер, називається кулонівським бар'єром, або потенційним бар'єром. Умова, за якої це відбувається - висока температура, близько 1 мільярда градусів за Цельсієм. При цьому будь-яка речовина перетворюється на плазму. Основними речовинами реалізації термоядерної реакції є і тритій.

Вибуховий термоядерний синтез

Такий спосіб проведення термоядерної реакції виник набагато раніше керованого та вперше був застосований у водневій бомбі. Основною вибуховою речовиною є дейтерид літію.

Бомба складається з тригера – плутонієвого заряду з підсилювачем та контейнера з термоядерним пальним. Спочатку вибухає тригер із випромінюванням імпульсу м'якого рентгенівського випромінювання. Оболонка другого ступеня разом із пластиковим наповнювачем поглинають ці випромінювання, нагріваючись до високотемпературної плазми, що знаходиться під високим тиском.

Створюється реактивна тяга, яка здавлює обсяг другого ступеня, зменшуючи міжядерну відстань у тисячі разів. У цьому термоядерна реакція немає. Завершальним етапом є ядерний вибух плутонієвого стрижня, який і запускає ядерну реакцію. Дейтерид літію з нейтронами з утворенням тритію.

Керований термоядерний синтез

Керований термоядерний синтез можливий оскільки застосовуються спеціальні типи реакторів. Паливом є дейтерій, тритій, гелію, літій, бор-11.

Реактори:
1) Реактор, заснований на створенні квазістаціонарної системи, де плазма утримується магнітним полем.
2) Реактор з урахуванням імпульсної системи. У цих реакторах невеликі мішені, що містять дейтерій та тритій, короткочасно нагрівають надпотужним потоком частинок або лазером.

Загальновідомо, що з розподілі важких ядер атомів під час ядерних реакцій виділяється дуже багато енергії. Однак вдалося встановити, що при злитті легких ядер виділяється ще більша кількість енергії. Такі реакції назвали термоядерними.

Природа термоядерних реакцій

Термоядерні реакції - це реакції злиття легких ядер, що протікають при високих температурах із виділенням великої кількості енергії. Синтез гелію з водню протікає при t = 108? При синтезі одного грама гелію виділяється 4,2 * 1011 Дж. Ця енергія еквівалентна енергії, що виділяється при повному поділі 4 г урану або при спалюванні 10 тонн дизпалива. Термоядерні реакції можна зустріти у зірках, де температура та тиск речовини створюють придатні умови для здійснення злиття.

У термоядерній реакції синтезу гелію беруть участь ізотопи водню: тритій та дейтерій:

(1^2)H+(1^3)H→(2^4)He+(0^1)n

При злитті дейтерію та тритію в ядро ​​гелію виділяється нейтрон та енергія E = 17,6 МеВ.

Умови протікання термоядерних реакцій

Для протікання термоядерних реакцій необхідні певні умови. Потрібно зблизити ядра вказаних ізотопів. Ядра атомів мають позитивний заряд, і, отже, за її зближенні діють кулонівські сили , що розштовхують ці заряди.

Відповідно, для злиття ядер необхідно подолати сили, що відштовхують. Це можливо лише у випадку, якщо самі ядра мають дуже велику енергію, в першу чергу, кінетичну енергію руху, тобто тоді, коли їх швидкість досить велика.

Ядра ізотопів можуть мати таку швидкість тільки при дуже високій температурі. Необхідно надати часткам достатню швидкість, щоб вони могли наблизитися один до одного на відстань ≈ 10^-14 м. На такій відстані вже починають діяти ядерні сили тяжіння .

Такої температури можна досягти лише під час вибуху атомної бомби. Тобто, щоб зробити термоядерну реакцію, треба зробити спочатку ядерну реакцію, і тоді температури буде достатньо для зближення ядер ізотопів водню та здійснення термоядерної реакції. Такий процес був реалізований у водневій бомбі – найпотужнішій із винайдених людиною.

Керовані термоядерні реакції

Проте на сьогоднішній день некерована термоядерна реакція – це не актуально. Необхідно освоїти керовану термоядерну реакцію, щоб перетворювати отримувану енергію на електричну. Але є проблема. При досягненні температури, достатньої для здійснення реакції злиття легких ядер, речовина вже перестає бути не тільки твердою, рідкою або газоподібною, воно стає плазмою.

Тобто будь-який реактор моментально випарується за таких температур. Тут потрібний зовсім інший підхід. На сьогоднішній день вдається утримувати плазму на обмеженій території за допомогою надпотужних електричних магнітів. Але повноцінно використовувати енергію, що отримується в результаті термоядерної реакції, поки не вдається.