Особливості термоядерної реакції. Ядерні та 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 видреакції, і ознайомтеся 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, в даному випадкудіють 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 тільки за дуже високих температурах. 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 термо ядерну реакціюМи спочатку повинні зробити реакцію поділу важких ядер. Саме в цьому випадку ми досягнемо високої температури, а вже потім дана температурадозволить 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 в першу чергу використання термоядерної реакції в мирних цілях для створення тих самих електростанцій, але вже нового типу.

В даний час ведуться розробки по тому, як створити керований термоядерний синтез. Для цього використовуються різні методиодин з 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.

Внаслідок термоядерної реакції виділяється велика кількістьтепла, 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 довкіллям, Зі стінками того об'єкта, де воно знаходиться. Для такої ізоляції використається магнітне поле. При високій температурі ядра, електрони, які знаходяться разом, є новий видматерії – 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 певну формута утримувати в певному обсязі. Проте, технічне рішеннякерування термоядерною реакцією залишається поки невирішеним.

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

На закінчення хотілося б ще зазначити: термоядерні реакціїграють важливу рольв 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 вивченняфізики. 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, як правило, являють собою процеси утворення сильно пов'язаних ядер з більш пухких і тому супроводжуються виділенням енергії (точніше, виділенням у продуктах реакції надлишкової кінетичної енергії, що дорівнює збільшенню енергії зв'язку). При цьому сам механізм цього «екзоенергетичного» зсуву до середньої частини періодичної системиелементів Менделєєва тут протилежний тому, що має місце при розподілі важких ядер: багато практично цікаві Термоядерні реакції- Це реакції злиття (синтезу) легких ядер у більш важкі. Є, однак, винятки: завдяки особливій міцності ядра 4 (a-частка) можливі екзоенергетичні реакціїподілу легких ядер (одна з них, «чиста» реакція 11 + р ® 3 4 Не + 8,6 Мев,привернула до себе інтерес останнім часом).

Велике енерговиділення у ряді Термоядерні реакціїобумовлює важливість їх вивчення для астрофізики, а також для прикладної ядерної фізики та ядерної енергетики. Крім того, надзвичайно цікава роль Термоядерні реакціїу дозоряних та зоряних процесах синтезу атомних ядер хімічних елементів(нуклеогенез).

Швидкості Термоядерні реакції У табл. 1 для ряду Термоядерні реакціїнаведено значення енерговиділення, основної величини, що характеризує ймовірність Термоядерні реакції- її максимального ефективного поперечного перерізу (sмакс, і відповідної енергії, що налітає (у формулі реакції - першої зліва) частинки.

Головна причина дуже великого розкиду перерізів Термоядерні реакції- різка відмінність ймовірностей власне ядерних («післябар'єрних») перетворень. Так, для більшості реакцій, що супроводжуються утворенням найбільш сильно пов'язаного ядра 4 He, переріз велике, тоді як для реакцій, зумовлених слабкою взаємодією (наприклад, р + р ® D + е + + n), воно дуже мало.

Термоядерні реакціївідбуваються в результаті парних зіткнень між ядрами, тому число їх в одиниці об'єму в одиницю часу дорівнює n 1 n 2<vs(v)>, де n 1 , n 2 -концентрації ядер 1-го та 2-го сортів (якщо ядра одного сорту, то n 1 n 2слід замінити на n 2), v - відносна швидкістьстикаються ядер, кутові дужки означають усереднення за швидкостями ядер v[розподіл яких надалі приймається максвелівським (див. Максвелла розподіл )].

Температурна залежність швидкості Термоядерні реакціївизначається множником< vs(v)>. У практично важливому випадку"не дуже високих" температур T< (10 7 ¸10 8) До вона може бути приблизно виражена у вигляді, однаковому для всіх Термоядерні реакціїУ цьому випадку відносні енергії Естикаються ядер, як правило, значно нижче висоти кулонівського бар'єру (остання навіть для комбінації ядер з найменшим зарядом) z= 1 складає ~ 200 Кев,що відповідає, за співвідношенням E = kT, T ~ 2×10 9 ) і, отже, вигляд s(v)визначається переважно ймовірністю «тунельного» проходження крізь бар'єр (див. Тунельний ефект ), а не власне ядерною взаємодією, що у ряді випадків обумовлює «резонансний» характер залежності s(v)(саме така залежність проявляється у найбільших значень s макс у таблиці 1). Результат має вигляд

< vs(v)> = const× Т -2/3ехр)

де const - постійна, характерна для даної реакції, Z 1 , Z 2 - заряди зіткнених ядер, - їх наведена маса, е -заряд електрона, - Планка стала, k - Больцмана постійна.
Таблиця 1

Ви вже знаєте, що в середині XX ст. постала проблема пошуку нових джерел енергії. У зв'язку з цим увагу вчених привернули термоядерні реакції.

• Термоядерною називається реакція злиття легких ядер (таких як водень, гелій та ін.), що відбувається при температурах від десятків до сотень мільйонів градусів

Створення високої температури необхідне для надання ядрам досить великої кінетичної енергії - тільки за умови ядра зможуть подолати сили електричного відштовхування і зблизитися настільки, щоб потрапити до зони дії ядерних сил. На таких малих відстанях сили ядерного тяжіння значно перевершують сили електричного відштовхування, завдяки чому можливий синтез (тобто злиття, об'єднання) ядер.

У § 58 з прикладу урану було показано, що з розподілі важких ядер може виділятися енергія. У разі легких ядр енергія може виділятися при зворотному процесі - при їх синтезі. Причому реакція синтезу легких ядер енергетично вигідніша, ніж реакція поділу важких (якщо порівнювати енергію, що виділилася, припадає на один нуклон).

Прикладом термоядерної реакції може служити злиття ізотопів водню (дейтерію та тритію), внаслідок чого утворюється гелій і випромінюється нейтрон:

Це перша термоядерна реакція, яку вченим удалося здійснити. Вона була реалізована в термоядерній бомбі і мала некерований (вибуховий) характер.

Як було зазначено, термоядерні реакції можуть з виділенням великої кількостіенергії. Але для того, щоб цю енергію можна було використовувати в мирних цілях, необхідно навчитися проводити керовані термоядерні реакції. Одна з основних труднощів у здійсненні таких реакцій у тому, щоб утримати всередині установки високотемпературну плазму (майже повністю іонізований газ), у якій відбувається синтез ядер. Плазма не повинна торкатися стінок установки, в якій вона знаходиться, інакше стінки звернуться в пару. В даний час для утримання плазми обмеженому просторіна відповідній відстані від стін застосовуються дуже сильні магнітні поля.

Термоядерні реакції відіграють важливу роль в еволюції Всесвіту, зокрема у перетвореннях хімічних речовину ній.

Завдяки термоядерним реакціям, що протікають у надрах Сонця, виділяється енергія, що дає життя мешканцям Землі.

Наше Сонце випромінює у простір світло та тепло вже майже 4,6 млрд років. Природно, що у всі часи вчених цікавило питання, що є «паливом», рахунок якого Сонце виробляється дуже багато енергії протягом тривалого часу.

Щодо цього існували різні гіпотези. Одна з них полягала в тому, що енергія на Сонці виділяється в результаті хімічної реакціїгоріння. Але в цьому випадку, як показують розрахунки, Сонце могло б проіснувати лише кілька тисяч років, що суперечить дійсності.

Оригінальна гіпотеза була висунута в середині XIXв. Вона полягала в тому, що збільшення внутрішньої енергіїі відповідне підвищення температури Сонця відбувається рахунок зменшення його потенційної енергії при гравітаційному стиску. Вона теж виявилася неспроможною, тому що в цьому випадку термін життя Сонця збільшується до мільйонів років, але не до мільярдів.

Припущення, що виділення енергії на Сонці відбувається в результаті протікання на ньому термоядерних реакцій, було висловлено в 1939 р. американським фізиком Хансом Бете.

Їм же було запропоновано так званий водневий цикл, Т. е. ланцюжок з трьох термоядерних реакцій, що призводить до утворення гелію з водню:

де - частка, звана "нейтрино", що в перекладі з італійської означає "маленький нейтрон".

Щоб вийшли два ядра , необхідні третьої реакції, перші дві повинні відбутися двічі.

Ви вже знаєте, що відповідно до формули Е = mс 2 із зменшенням внутрішньої енергії тіла зменшується та його маса.

Щоб уявити, яка колосальна кількість енергії втрачає Сонце внаслідок перетворення водню на гелій, достатньо знати, що маса Сонця щомиті зменшується на кілька мільйонів тонн. Але, незважаючи на втрати, запасів водню на Сонці має вистачити ще 5-6 мільярдів років.

Такі ж реакції протікають у надрах інших зірок, маса та вік яких можна порівняти з масою та віком Сонця.

Запитання

1. Яка реакція називається термоядерною? Наведіть приклад реакції.
2. Чому протікання термоядерних реакцій можливе лише за дуже високих температур?
3. Яка реакція енергетично вигідніша (в розрахунку на один нуклон): синтез легких ядер або поділ важких?
4. У чому полягає одна з основних труднощів при здійсненні термоядерних реакцій?
5. Яка роль термоядерних реакцій у існуванні життя Землі?
6. Що є джерелом енергії Сонця за сучасними уявленнями?
7. На який період має вистачити запас водню на Сонці за підрахунками вчених?

Це цікаво...

Елементарні частинки. Античастинки

Частинки, з яких складаються атоми різних речовин- електрон, протон та нейтрон, - назвали елементарними. Слово «елементарний» мало на увазі, що ці частинки є первинними, найпростішими, далі неподільними та незмінними. Але незабаром виявилося, що ці частинки зовсім не є незмінними. Всі вони мають здатність перетворюватися один на одного при взаємодії.

Тому в сучасної фізикитермін «елементарні частки» зазвичай вживається над своєму точному значенні, а найменування великої групи найдрібніших частинокматерії, що не є атомами або ядрами атомів (виняток становить протон, що є ядром атома водню і в той же час відноситься до елементарних частинок).

В даний час відомо більше 350 різних елементарних частинок. Частинки ці дуже різноманітні за своїми властивостями. Вони можуть відрізнятися один від одного масою, знаком та величиною електричного заряду, часом життя (тобто. часом з моменту утворення частки і до моменту її перетворення на якусь іншу частинку), проникаючою здатністю (тобто здатністю проходити крізь речовину) та іншими характеристиками. Наприклад, більшість частинок є «коротко-живуть» - вони живуть не більше двох мільйонних часток секунди, в той час як середній час життя нейтрону, що знаходиться поза атомним ядром, 15 хв.

Найважливіше відкриття у сфері дослідження елементарних частинок було зроблено 1932 р., коли американський фізикКарл Девід Андерсон виявив у камері Вільсона, поміщеній у магнітне поле, слід невідомої частки. За характером цього сліду (по радіусу кривизни, напрямку вигину та ін.) вчені визначили, що він залишений часткою, яка являє собою електрон з позитивним за знаком електричним зарядом. Цю частку назвали позитроном.

Цікаво, що за рік до експериментального відкриття позитрона його існування було теоретично передбачено англійським фізиком Полем Діраком (існування саме такої частки випливало з виведеного ним рівняння). Більше того, Дірак передбачив так звані процеси анігіляції (зникнення) та народження електрон-позитронної пари. Анігіляція полягає в тому, що електрон та позитрон при зустрічі зникають, перетворюючись на γ-кванти (фотони). А при зіткненні γ-кванта з якимось масивним ядром відбувається народження електрон-позитронної пари.

Обидва ці процеси вперше вдалося поспостерігати на досвіді в 1933 р. На малюнку 166 показані треки електрона і позитрона, що утворилися в результаті зіткнення γ-кванта з атомом свинцю при проходженні γ-променів крізь свинцеву пластинку. Досвід проводився в камері Вільсона, яка була поміщена в магнітне поле. Однакова кривизна треків свідчить про однакову масу частинок, а викривлення в різні сторони- про протилежних знакахелектричного заряду.

Мал. 166. Треки електрон-позитронної пари у магнітному полі

У 1955 р. була виявлена ​​ще одна античастинка-антипротон (існування якої теж випливало з теорії Дірака), а трохи пізніше - антинейтрон. Антинейтрон, так само як і нейтрон, не має електричного заряду, але він, безперечно, відноситься до античасток, оскільки бере участь у процесі анігіляції та народження пари нейтрон-антинейтрон.

Можливість отримання античастинок привела вчених до ідеї створення антиречовини. Атоми антиречовини мають бути побудовані таким чином: у центрі атома – негативно заряджене ядро, що складається з антипротонів та антинейтронів, а навколо ядра звертаються позитрони. У цілому нині атом нейтральний. Ця ідея також отримала блискуче експериментальне підтвердження. У 1969 р. на прискорювачі протонів у Серпухові радянські фізикиотримали ядра атомів антигелію

В даний час експериментально виявлені античастинки майже всіх відомих елементарних частинок.

Підсумки глави. Найголовніше

Нижче дані фізичні поняттята явища. Послідовність викладу визначень і формулювань відповідає послідовності понять тощо.

Перенесіть у зошит назви понять і в квадратні дужки впишіть порядковий номервизначення (формулювання), що відповідає даному поняттю.

• Радіоактивність;
• ядерна (планетарна) модель будови атома;
• атомне ядро;
• радіоактивні перетворенняатомних ядер;
• експериментальні методививчення частинок в атомній та ядерної фізики ;
• ядерні сили;
• енергія зв'язку ядра;
• дефект мас атомного ядра;
• ланцюгова реакція ;
• ядерний реактор ;
• екологічні та соціальні проблеми, що виникають під час використання АЕС ;
• поглинена доза випромінювання.

1. Реєстрація частинок за допомогою лічильника Гейгера, вивчення та фотографування треків частинок (зокрема, що брали участь у ядерних реакціях) у камері Вільсона та бульбашковій камері.
2. Сили тяжіння, що діють між нуклонами в ядрах атомів та значно перевершують сили електростатичного відштовхування між протонами.
3. Мінімальна енергія, потрібна для розщеплення ядра на окремі нуклони.
4. Мимовільне випромінювання атомами деяких елементів радіоактивних променів.
5. Пристрій, призначений для здійснення керованої ядерної реакції.
6. Складається з нуклонів (тобто протонів і нейтронів).
7. Радіоактивні відходи, можливість аварій, сприяння розповсюдженню ядерної зброї.
8. Атом складається з розташованого в центрі позитивно зарядженого ядра, навколо якого з відривом, значно перевищує розмір ядра, обертаються електрони.
9. Перетворення одного хімічного елемента на інший при α- або β-розпаді, в результаті якого ядро ​​вихідного атома зазнає змін.
10. Різниця між сумою мас нуклонів, що утворюють ядро, та масою цього ядра.
11. Реакція поділу важких ядер, що самопідтримується, в якій безперервно відтворюються нейтрони, що ділять все нові і нові ядра.
12. Енергія іонізуючого випромінювання, поглинена випромінюваною речовиною (зокрема, тканинами організму) та розрахована на одиницю маси.

Перевір себе

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. Потенціальна енергіяміжядерної взаємодії як функція відстані 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 енергіюенергії ядерної реакції. енергії електромагнітного випромінюванняплазми 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 радіусплазми 8,1 м, малий радіус плазми 3 м, тороїдальне магнітне поле на осі 5,7 Тл, номінальний струм плазми 21 МА, номінальна термоядерна потужність з дейтерій-трійцевим паливом 1500 МВт. Реактор містить наступні основні вузли: соленоїд 1, індуковане або електричне поле здійснює пробій газу та нагріває плазму , перша стінка 9 звернена до високотемпературної плазмиі сприймає потік тепла у вигляді випромінювання та 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

Глава 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 було виявлено можливість використовувати для підтримки вогню викопні речовини: кам'яне вугілля, нафту, сланці, торф.

Прекрасний міф про Прометея, що давав людям вогонь, з'явився в Стародавню Греціюзначно пізніше того, як у багатьох частинах світу були освоєні методи досить витонченого поводження з вогнем, його отриманням та гасінням, збереженням вогню та раціональним використаннямпалива.

Наразі відомо, що деревина – це акумульована за допомогою фотосинтезу сонячна енергія. При згорянні кожного кілограма сухої деревини виділяється близько 20 000 кДж тепла, теплота згоряння бурого вугілля дорівнює приблизно 13 000 кДж/кг, антрациту 25 000 кДж/кг, нафти та нафтопродуктів 42 000 кДж/кг природного газу 45 000 кДж/кг. Найвищою теплотою згоряння має водень 120 000 кДж/кг.

Людству потрібна енергія, причому потреби у ній збільшуються з кожним роком. Водночас запаси традиційних природних палив(Нафти, вугілля, газу та ін) 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 розпадатомів 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, т. е. 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 будовазірок"). У цій книзі були блискуче викладені уявлення того часу про фізичних засадахпроцесів, 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 тільки вірити, що зірки є гігантськими. ядерні реактори. 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 в внутрішніх областяхсонця переміщаються відносно 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 енергіяможе 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 їх 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