Термоядерная реакция

1.

Физика - 9
Термоядерная реакция
«Надежда на быстрое решение проблемы
управляемого термоядерного синтеза —
то же, что надежда грешника попасть
в рай, минуя чистилище…»
Лев Андреевич Арцимович
28.05.2022

2.

Термоядерная реакция
- реакция слияния (синтеза) легких ядер (таких, как водород, гелий и
др), происходящая при температурах порядка сотен миллионов
градусов с образованием более тяжелых ядер
Почему протекание термоядерных реакций возможно только
при очень высоких температурах?

3. Условия возникновения ТЯР

1.Необходимо, чтобы легкие ядра
сблизились до расстояний, ≤радиуса сферы
действия ядерных сил притяжения (т.е. до
расстояний порядка 10–15 м).
2. Необходимо преодолеть кулоновские
силы отталкивания, действующие между
положительно заряженными ядрами.
3 Необходимо нагреть вещество большой плотности до сверхвысоких
температур (порядка сотен миллионов кельвин),
4. Необходимо, чтобы кинетическая энергия теплового движения ядер
оказалась достаточной для преодоления кулоновских сил отталкивания.
При таких температурах вещество существует в виде плазмы. Поскольку синтез
может происходить только при очень высоких температурах, то ядерные
реакции синтеза и получили название термоядерных реакций (от греческого
«Терма» — тепло, жар).

4.

Пример термоядерной реакции
Реакция идет с выделением
энергии

5.

Энергия, выделяемая при сгорании
топливав и ТЯР
Сгорание
2 вагонов
каменного угля
Синтез
4 г гелия

6.

Энергия, выделяемая при ЦЯР и ТЯР
2
1
Н Н Не n
3
1
4
2
1
0
235
92
U n Ba Kr 2 n
1
0
139
56
95
36
1
0

7.

Виды термоядерной реакции
ТЯР
Неуправляемая
Звезды
Бомба
Управляемая
ТЯ реактор

8.

Управляемые термоядерные реакции
ТОКАМАК (тороидальная камера
магнитные катушки)
1. Необходимо создать
температуры порядка 108 К.
2. Необходимо создать в плазме
электрические разряды большой
мощности
Создан в Институте атомной
энергии им. И.В. Курчатова.
3. Необходимо создание очень
сильных магнитных полей для
удержания плазмы без
соприкосновения со стенками
установки .

9. Принцип действия ТоКаМаК

Плазму создают в тороидальной
камере, являющейся вторичной
обмоткой мощного импульсного
трансформатора.
Его первичная обмотка
подключена к батарее
конденсаторов очень большой
емкости, камеру заполняют
дейтерием.
При разряде батареи конденсаторов через первичную обмотку в камере
возбуждается вихревое электрическое поле, вызывающее ионизацию
дейтерия и появление в нем мощного импульса электрического тока, что
приводит к сильному нагреванию газа и образованию
высокотемпературной плазмы, в которой может возникнуть
термоядерная реакция.

10.

Термоядерная электростанция
По принципу
работы ТЯ
электростанция
похожа на обычные
тепловые
электростанции и
отличается от них
лишь конструкцией
«печи» и типом
топлива

11. Трудности создания управляемой ТЯР

Главная трудность - удержать плазму внутри камеры в
течение от 0,1 до 1 секунды без ее контакта со стенками
камеры, т.к. не существует материалов, способных
выдерживать столь высокие температуры.
Пока удалось получать плазму с температурой 1,3×107 К и удерживать ее
в течение 60 — 80 мс на установке "Токамак-10".

12.

Развитие ТЯ энергетики
Международный экспериментальный
термоядерный реактор ITER
Конструкция реактора ITER, строительство
которого уже началось и должно по
проекту закончиться к 2018 году.
Мощность реактора должна составлять
не менее 500 MВт. Для оценки размеров
внизу на чертеже (справа) помещен
силуэт человека
Группе китайских ученых удалось
стабилизировать плазму на рекордные
30 секунд. Осуществить это позволило
усовершенствование токамака EAST в
городе Хэфей, который и использовался
для эксперимента.

13.

Лазерный термоядерный синтез
Замороженную смесь дейтерия и трития,
приготовленную в виде шариков
диаметром менее 1 мм, равномерно
облучают со всех сторон мощным
лазерным излучением.
Это приводит к нагреванию и испарению
вещества с поверхности шариков. При этом
давление внутри шариков возрастает до
величин порядка 1015 Па. Под действием
такого давления происходят увеличение
плотности и сильное нагревание вещества
в центральной части шариков и начинается
термоядерная реакция.

14.

Неуправляемая ТЯР
ВИДЕО
Термоядерные реакции, происходящие при взрывах водородных бомб,
являются неуправляемыми.

15.

Энергия Солнца – это энергия
термоядерных реакций
Водородный цикл – цепочка из трех термоядерных
реакций, приводящих к образованию гелия из
водорода:
1
1
Ханс Бете,
1906 – 2005
американский
ученый
Нобелевская премия
1967 год
Н 11Н 12Н 10е 00
2
1
Н 11Н 23Не 00
3
2
Не 23Не 24Не 211Н
ВИДЕО

16. «Жизненный путь» Солнца

Масса Солнца
ежесекундно
уменьшается на
несколько миллионов
тонн, но запасов Н2 на
Солнце должно хватить
еще на 5 — 6 млрд лет.
Через 13 миллиардов лет размеры Солнца станут примерно в 100 раз больше,
чем сегодня, а светимость увеличится в 2000 раз. t поверхности снизится до
4000°С. После расширения звезда потеряет внешнюю оболочку, будет размеры,
как у Земли. Пройдет еще несколько миллиардов лет, и Солнце остынет,
превратившись в белый, а затем, и в черный карлик