Енергія ядерного синтезу

Мурсякаев Марат Асяатовіч, учень 10-го класу, школи № 75 м.

Чорноголовка

Доповідь на конференції "Старт у науку", МФТИ, 2004.

Як відомо, ядерні перетворення можуть супроводжуватися значним виділенням енергії. Так, в ядерних реакціях синтезу гелію і тритію з ядер - ізотопів водню маємо d + t 4He + n + 17,6 МеВ,

d + d 3He + n + 3,3 МеВ,

d + d t + p + 4,0 МеВ,

p + d 3He + g + 5,5 МеВ.

Символи p, n, d, t, He, g відповідають відповідно протона, нейтрону, ядер дейтерію, тритію, гелію і g-кванти.

Нагадаємо, що 1 МеВ = 106 еВ (електронвольт). Ядерний синтез є джерелом випромінювання Сонця (та інших зірок).

Виділення енергії в ядерних реакціях в мільйони разів перевищує енерговиділення при звичайному горінні. Зважаючи на швидкого виснаження ресурсів природних джерел енергії на Землі (нафта, газ, вугілля) актуальною є проблема оволодіння ядерною енергією. Вже існуюча ядерна енергетика заснована на використанні реакцій поділу.

Необхідною умовою протікання таких реакцій є зближення ядер водню на малі відстані, які можна порівняти з розмірами ядер. Для цього водень нагрівають до сотень мільйонів градусів. Цей спосіб називається термоядерним. До високої температури речовина може бути підігрітий двома способами: шляхом утримання речовини в магнітних пастки або вибуховим способом, де речовина утримується за рахунок інерційних сил.

Тому проблема промислового отримання енергії за допомогою ядерних реакцій синтезу отримала назву термоядерної. В даний час відомі два способи здійснення самопідтримуваної термоядерної реакції.

1. Повільна реакція, мимоволі відбувається в надрах Сонця та інших зірок. У цьому випадку кількість реагує речовини настільки колосально, що воно утримується і сильно ущільнюється (до 100 г/см3 в центрі Сонця) гравітаційними силами.

2. Швидка реакція некерованого характеру, яка відбувається за вибух водневої бомби. У як ядерного вибухової речовини в водневої бомби використовуються ядра легких елементів (наприклад, ядра дейтерію і літію). Висока температура, необхідна для початку термоядерного процесу, досягається в результаті вибуху атомної бомби, яка входить до складу водневої бомби (мал. 1).

Умова існування реакції синтезу полягає в тому, щоб виділилася енергія перевищувала енергію, що буря з плазми електромагнітним і корпускулярним випромінюванням. При рівності цих величин реакція синтезу буде протікати, але створення надлишку енергії для корисного використання відбуватися не буде. Це рівність називається умовою запалювання термоядерної реакції. В оціночному аналітичному вигляді воно вперше було отримано американським фізиком Дж.Д. Лоусон в 1957 році і називається критерієм Лоусона:

nt ~ L (T),

де t - середня час утримання плазми в активній зоні реактора; L (T) - коефіцієнт Лоусона, залежить від температури, типу легких ядер і втрат на випромінювання.

Дослідження показали, що критерій Лоусона повинен бути nt ~ 1014 с/см3.

Таким чином, для здійснення реакції синтезу в дейтерій-тритієвої плазмі необхідно забезпечити високу температуру (нагріти) і концентрацію іонів (стиснути) протягом певного часу (утримати). Детально розглядаються два способи вирішення проблеми УТС:

- тривалий (t ~ 0,17 с) нагрів дейтерій-тритієвої плазми низької щільності (n ї 1014 см-3) в певному обсязі при температурі близько 108 К;

-- високошвидкісний (близько 10 - 9 с) нагрів малих обсягів конденсованого термоядерного палива (n ї 1023 см-3).

Більшість досліджень з проблеми УТС проведено з плазмою малої концентрації. Основний завданням цього напрямку є забезпечення тривалого часу утримання плазми. Для запобігання зіткнення зі стінками робочого об'єму використовуються магнітні поля різної конфігурації. З магнітних пасток в Нині фахівці вважають найбільш перспективною пастку, яку називають ТОКАМАК (тороїдальне камера з магнітними котушками). Не зупиняючись докладно на досягнення та проблеми ТОКАМАК, відзначимо, що в кінці 70-х років країни, що розвивають цей напрямок, об'єднали свої зусилля з розробки проекту інтернаціонального термоядерного експериментального реактора. Мета реалізації цього проекту - технічна демонстрація УТС.

Другий напрямок досліджень з плазмою високої концентрації почало розвиватися вченими США і СРСР на початку 60-х років. Альтернативність цього напрямку виражається в тому, що його розробники запропонували не долати величезні труднощі з утримання нестійких плазмових згустків, а створити такі умови, за яких значуща частина термоядерного палива згоріла б швидше, ніж воно розлетиться. Тимчасові параметри цього процесу визначалися інерцією паливної суміші. Цей напрямок отримало назву інерціальній термоядерного синтезу (ІТС). Ідея полягала в те, що дейтерій-тритієвої суміш у конденсованому (замороженому) стані надшвидкої нагрівається до температури близько 108 К. Загальна тривалість збереження обсягу палива визначається часом розльоту плазми, яка має порядок d / u, де d - лінійний розмір обсягу, u - середня швидкість часток нагрітої плазми. Цей час можна прийняти за час утримання плазми, яке входить у критерій Лоусона. Тоді можна оцінити розмір d: n * d/u ~ L, звідки d ~ L "u / n. Використовуючи для дейтерій-тритієвої плазми значення L 1014 c/см3, u = 108 см/с і n = 5 * 1022 см3, отримаємо значення d = 2 мм, а час утримання t = 2 * 10 - 9 с.

На цих двох шляхах фізики добилися приблизно однакового рівня-фізика процесів ясна, але попереду великі інженерно-технічні трудності.Помімо описаних способів існує принципово інший спосіб отримання ядерної енергії синтезу - мезони каталіз, що дозволяє обійтися без використання високих температур. Основна ідея m-каталізу полягає в наступному. Знаходиться в водневої середовищі, що містить ядра-ізотопи d і t, вільний мюон утворює спочатку мюонним атом (dm, tm), а потім і мезомолекулярний іон. У такому іоні завдяки його малим розмірам досить швидко протікає відповідна ядерна реакція синтезу. При цьому відбувається вивільнення мюона (якщо його не підхопить що утворюється в реакції заряджене ядро) і ланцюжок описаних перетворень повторюється до моменту розпаду мюона.

У бомбах виконання умови термоядерного горіння досягли за п'ятирічку. У УТС незважаючи на десятиліття інтенсивних досліджень, практично результат до цих пір не отримано. Тому вчені Всеросійського науково-дослідного інституту технічної фізики (РФЯЦ-ВНІІТФ) міста Снєжинська (раніше Челябінськ-70) пропонують підривати невеликі термоядерні заряди в КВС (Котли Вибухового згорання).

Так може виглядати котел вибухового згоряння. У сталевій ємності (1) міститься кілька десятків тисяч тонн теплоносія - рідкого натрію (2). Заряд (3) збирають з окремих компонентів і опускають в ємність по каналу доставки (4). Після вибуху гарячий рідкий натрій надходить в теплообмінник (5), де виробляється водяний пар високого тиску. Пар обертає турбіну (6), поєднану з електричним генератором. Для осколків розподілу (близько тонни на рік) обладнаний могильник (7); "догоріли" паливо (уран, плутоній) і продукти реакції (гелій-3, тритій) направляють на переробку.

В її здійсненні немає принципових проблем. Більша частина того, що потрібно для створення експериментального КВС, вже зроблена. Виробляти термоядерні вибухи дейтерію потужністю в десятки тонн і навіть одну кілотонн навчилися давно. Проблема створення надвисоких температур і тисків, необхідних для "керованих" вибухів потужністю в тонни тротилового еквівалента, при це знімається, оскільки горіння дейтерію ініціюється невеликим вибухом заряду, що складається з урану-233. У природі він не зустрічається, його одержують із досить поширеного в природі торію. Причому торію та урану для вибухової енергетики потрібно в тисячі разів менше, ніж для роботи АЕС тієї ж потужності. Відповідно в сотні разів зменшується кількість радіоактивних відходів, а хімічні забруднення практично відсутні.

Список літератури

1. Пономарьов Л.І. Під знаком кванта. М: Сов.Россія. 1984. 352 с.

2. Воронов Г.С. Штурм термоядерної фортеці. М.: Наука, 1985, 192 с. (Б-чка "Кванта"; вип. 37) 3. Герштейн С.С., Петров Ю.В., Пономарьов Л.І. УФН, 1990. Т.160, вип. 8. С. 3-46.

4. Карнаков Б.М. Мюонним каталіз ядерного синтезу. Соровского освітній журнал.1999. № 12. З 62-67.