Термоядерный синтез

Рейтинг пользователей: / 23
ХудшийЛучший 

На протяжении тысячелетий люди воевали друг с другом. Простые палки, потом копья, мечи, луки, дальше огнестрельное оружие и, наконец, термоядерное оружие. Но на протяжении всей истории человечества наряду с изобретениями новых средств разрушения люди создавали и то, что улучша-ло и облегчало им жизнь, очень часто адаптируя военные разработки для мирных целей. Так и с термоядерным оружием, в основе которого лежит термоядерный синтез, – учёные проводили и продолжают проводить иссле-дования по укрощению термоядерной энергии, с целью использования её в качестве альтернативы современным источникам энергии, которые обладают той особенностью, что их запасы конечны и исчерпаются в обозримом будущем.

В современном мире ядерное оружие играет самую важную роль в со-хранении мира на земле, и как это не парадоксально, одновременно являясь способом его погубить. В то время как управляемый термоядерный синтез, поможет человечеству выжить в будущем, оставшись в обозримом будущем одним из немногих источников энергии на Земле.

Согласно общей теории если частицы, обладающие собственной энергией, приблизить друг к другу до расстояний, при которых начинают действовать ядерные силы, то образуется целостная система, энергетически более выгодная (с меньшей внутренней энергией), чем исходная система разрозненных частиц. При этом излишек исходной энергии частиц высвобождается в форме энергии связи, которая может придать определенную скорость образовавшемуся ядру, то есть разогреть получившееся в итоге вещество.

Условия, необходимые для реакции ядерного синтеза, возникают, например, в недрах звезд, где гравитационное сжатие вещества приводит к его разогреву до таких температур, при которых отдельные ядра могут преодолевать силы кулоновского отталкивания и сближаться друг с другом до крити-ческих расстояний. Аналогичные условия могут возникать при взрыве атомной бомбы. При этом реакция расщепления урана создает условия, аналогич-ные условиям в недрах звезд, после чего начинается реакция синтеза, например, ядер гелия из ядер водорода. На этом принципе основано действие термоядерной бомбы.

Термоядерная реакция — разновидность ядерной реакции, при которой легкие атомные ядра объединяются в более тяжелые. Для того чтобы произошла реакция синтеза, исходные ядра должны преодолеть силу электростатического отталкивания, для этого они должны иметь большую кинетическую энергию. Если предположить, что кинетическая энергия ядер определяется их тепловым движением то можно сказать, что для реакции синтеза нужна большая температура. Поэтому реакция названа «термоядерной». Этот термин может использоваться даже в тех случаях, когда реакция ядерного синтеза происходит при низкой температуре, например в том случае, когда кинетическая энергия ядер связана с их направленным движением, а не тепловым.

Атомные ядра имеют положительный электрический заряд. На боль-ших расстояниях их заряды могут быть экранированы электронами. Однако для того, чтобы произошло слияние ядер, они должны сблизиться на расстояние, на котором действует сильное взаимодействие. Это расстояние — порядка размера самих ядер и во много раз меньше размера атома. На таких расстояниях электронные оболочки атомов (даже если бы они сохранились) уже не могут экранировать заряды ядер, поэтому они испытывают сильное электростатическое отталкивание. Сила этого отталкивания, в соответствии с законом Кулона, обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами. На расстояниях порядка размера ядер величина сильного взаимодейст-вия, которое стремится их связать, начинает быстро возрастать и становится больше величины кулоновского отталкивания.

Таким образом, чтобы вступить в реакцию, ядра должны преодолеть потенциальный барьер. Например, для реакции дейтерийтритий величина этого барьера составляет примерно 0,1 МэВ. Для сравнения, энергия иониза-ции водорода — 13 эВ. Поэтому вещество, участвующее в термоядерной реакции будет представлять собой практически полностью ионизированную плазму.

Если перевести 0,1 МэВ в температуру, то получится примерно 1 ГК. Однако есть два эффекта, которые снижают температуру, необходимую для термоядерной реакции. Во-первых, температура характеризует лишь среднюю кинетическую энергию, есть частицы, как с меньшей энергией, так и с большей. На самом деле в термоядерной реакции участвует небольшое коли-чество ядер, имеющих энергию намного больше средней (т. н. «хвост максвелловского распределения»). Во-вторых, благодаря квантовым эффектам, ядра не обязательно должны иметь энергию, превышающую кулоновский барьер. Если их энергия немного меньше барьера, они могут с большой вероятностью туннелировать сквозь него. Этот же факт туннелирования исполь-зуется в мюонном катализе реакций ядерного синтеза.

Термоядерное оружие, имея те же поражающие факторы что и у ядерного оружия, имеет намного большую мощность взрыва. Теоретически она ограничена только количеством имеющихся в наличии компонентов. Созда-ние термоядерного оружия стало возможным только благодаря разновидности гидрида лития — дейтериду лития-6. Это соединение тяжёлого изотопа водорода — дейтерия и изотопа лития с массовым числом 6. Дейтерид лития-6 — твёрдое вещество, которое позволяет хранить дейтерий (обычное со-стояние которого в нормальных условиях — газ) при плюсовых температу-рах, и, кроме того, второй его компонент — литий-6 — это сырьё для полу-чения самого дефицитного изотопа водорода — трития.

Для того, чтобы создать необходимые для начала термоядерной реакции нейтроны и температуру (порядка 50 млн. градусов), в водородной бомбе сначала взрывается небольшая по мощности атомная бомба.

Управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который носит управляемый характер в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерном оружии). Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются бо-лее лёгкие ядра.

В настоящее время управляемый термоядерный синтез ещё не осуще-ствлён в промышленных масштабах. Однако, строительство международного исследовательского реактора ITER уже находится в начальной стадии.

Рассматриваются две принципиальные схемы осуществления управ-ляемого термоядерного синтеза.

• Квазистационарные системы. Нагрев и удержание плазмы осуществляется магнитным полем при относительно низком давлении и высокой тем-пературе. Для этого применяются реакторы в виде токамаков, стеллараторов, зеркальных ловушек и торсатронов, которые отличаются конфигурацией магнитого поля. Реактор ИТЭР имеет конфигурацию токамака.

• Импульсные системы. В таких системах УТС осуществляется путем кратковременного нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий, сверхмощными лазерными или ионнными импульсами. Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов.

Исследования первого вида термоядерных реакторов существенно более развиты, чем второго.