Термоядерная реакция (Урок 90)

1. Термоядерная реакция

2. 1. Ядро содержит 90 протонов

234
90
Th

3. 2. Ядерные силы дальнодействую-щие

2. Ядерные силы
дальнодействующие

4. 3. Атом содержит 230 электронов

230
88
Ra

5. 4. 1 а.ем. = 931,5МэВ

6. 5. Скорость света в вакууме 3·1018м/с

5. Скорость света в
18
вакууме 3·10 м/с

7. 6. Нуклоны это протоны и электроны

8. 7. В атоме 88 протонов и 88 электронов

225
88
Ra

9. 8. Масса цельного ядра равна массе составляющих его нуклонов

10.

11.

12.

13. В середине XX века возникла проблема поиска новых источников энергии.

14.

15. Почему светят звёзды? Откуда они берут энергию?

16. В конце 30-х годов XX века американский физик Ханс Бете догадался, что источником энергии солнца являются реакции термоядерного

синтеза,
протекающие в его недрах.

17.

18.

19. Источники энергии Солнца и звёзд

20. Термоядерная реакция — это реакция синтеза легких ядер в более тяжелые ядра.

21. «Надежда на быстрое решение проблемы управляемого термоядерного синтеза — то же, что надежда грешника попасть в рай, минуя

Лев Андеевич
Арцимович
1909 – 1973гг.
«Надежда на быстрое
решение проблемы
управляемого
термоядерного
синтеза — то же, что
надежда грешника
попасть в рай, минуя
чистилище…»

22.

Энергия Солнца – это энергия
термоядерных реакций
Водородный цикл – цепочка из трех
термоядерных реакций, приводящих
к образованию гелия из водорода:
Ханс Бете
1906 – 2005
американский ученый
Нобелевская премия
1967 год
1
1
Н Н Н е
1
1
2
1
3
2
2
1
0
1
0
0
Н Н Не
1
1
3
2
0
0
Не Не Не 2 Н
3
2
4
2
1
1

23.

Из истории
В 1961 году Н.С. Хрущев громогласно заявил, что
в СССР есть бомба в 100 миллионов тонн
тротила. « Но,- заметил он, - взрывать такую
бомбу мы не будем, потому что если взорвем ее
даже в самых отдаленных местах, то и тогда
можем окна у себя повыбить».

24.

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

25.

F
F
термоядерные реакции это реакции слияния легких ядер
при очень высокой температуре.

26. Термоядерная реакция - реакция слияния легких ядер при очень высокой температуре, сопровождающаяся выделением энергии

Энергетически очень выгодна!!

27.

Примеры термоядерных
реакций:
2
1
Н Н Не n
1
1
p Li Не Не
3
1
7
3
4
2
4
2
1
0
4
2

28.

Для слияния необходимо, чтобы
расстояние между ядрами
приблизительно было равно 0,000 000 000
001 см. Однако этому препятствуют
кулоновские силы. Они могут быть
преодолены при наличии у ядер большой
кинетической энергии. Особенно большое
практическое значение имеет то, что при
термоядерной реакции на каждый нуклон
выделяется намного больше энергии, чем
при ядерной реакции, например, при
синтезе ядра гелия из ядер водорода
выделяется энергия, равная 6 МэВ, а при
делении ядра урана на один нуклон
приходится »0,9 МэВ.

29.

Энергетический выход реакций
1 г. U - 75 МДж = 3 тонны угля
1 г. дейтерий-тритиевой смеси–
300 МДж = ? тонн угля.

30. Сравнение термоядерной энергии и выделяющейся при реакции горения

Синтез
4 г гелия
Сгорание
2 вагонов каменного угля
=

31.

Анализ продуктов
реакций
4
2
Не
инертный газ.

32.

Анализ сырья
2
1
Н Н Не n
3
1
4
2
2
• 1
1
0
1
1
p Li Не Не
7
3
4
2
4
2
Н , Н - Содержатся в морской воде.
7
3
3
1
Li - В природе много.

33.

Какая реакция энергетически более выгодна
(в расчете на один нуклон):
синтез легких ядер или деление тяжелых?
235
92
U n Ba Kr 2 n
1
0
2
1
139
56
95
36
1
0
Н Н Не n
3
1
4
2
1
0

34.

Пример термоядерной реакции
2
1
Н Н Не n
3
1
4
2
1
0
Реакция идет с
выделением энергии
Реакция была реализована
в термоядерной бомбе и
носила неуправляемый
характер

35. Условия протекания термоядерной реакции

Для того, чтобы произошла
реакция синтеза, исходные ядра
должны попасть в сферу действия
ядерных сил(сблизиться на
расстояние 10-14 м), преодолев
силу электростатического
отталкивания. Это возможно при
большой кинетической энергии
ядер. Для этого вещество должно
иметь температуру
107 К.
Поэтому реакция названа
«термоядерной»(от лат. thermeтепло).

36. Сравнение термоядерной энергии и энергии, выделяющейся при реакции горения

Сгорание
Синтез
2 вагонов каменного
4 г гелия
угля

37.

Управляемые термоядерные
реакции
В чем заключается основная трудность при
осуществлении термоядерных реакций?
Необходимо удерживать
плазму в ограниченном
пространстве без
соприкосновения со
стенками установки с
помощью магнитного
поля.

38.

Установка ТОКАМАК для осуществления
управляемого термоядерного синтеза
ТОКАМАК
(тороидальная камера магнитные катушки)

39.

Международный экспериментальный
термоядерный реактор ITER
Конструкция реактора
ITER, строительство
которого уже началось и
должно по проекту
закончиться к 2018 году
(2019г.). Мощность
реактора должна
составлять не менее
500 MВт. Для оценки
размеров внизу
на чертеже (справа)
помещен силуэт
человека

40.

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

41.

Энергия Солнца – это энергия
термоядерных реакций
Водородный цикл – цепочка из трех
термоядерных реакций, приводящих
к образованию гелия из водорода:
Ханс Бете
1906 – 2005
американский ученый
Нобелевская премия
1967 год
1
1
Н Н Н е
1
1
2
1
3
2
2
1
0
1
0
0
Н Н Не
1
1
3
2
0
0
Не Не Не 2 Н
3
2
4
2
1
1

42. Неуправляемые термоядерные реакции

1. На Солнце уже миллиарды
лет происходит
неуправляемый
термоядерный синтез.
По одной из гипотез в недрах
Солнца происходит слияние
4 ядер водорода в ядро
гелия. При этом выделяется
колоссальное количество
энергии
2.
Водородная бомба.
Фотография взрыва первой французской
термоядерной бомбы Канопус, которая была
испытана 24 августа 1968 года во Французской
Полинезии.

43.

Водородная бомба
1. 1953 год – в СССР,
2. 1956 год - в США ,
3.
1957 год – в Англии,
4.
1967 год – в Китае,
5.
1968 год – во Франции.
В арсеналах различных стран накоплено
более 50 тысяч водородных бомб!

44.

Взрыв термоядерного
заряда мощностью
20 Мт уничтожит все
живое на расстоянии
до 140 км от его
эпицентра.

45.

1. при проведении крупномасштабных
горных работ;
2. В астрофизических явлениях.

46.

Самой мощной из
испытанных бомб была
водородная бомба
мощностью 57 мегатонн (57
миллионов тонн
тротилового эквивалента),
создана в СССР. Среди
разработчиков были Сахаров,
Харитонов и Адамский.
Утром 30 октября 1961 года в
11:32 бомба, сброшенная с
высоты 10 км, достигла
высоты 4000 метров над
Новой Землей (СССР) и была
приведена в действие. Место
взрыва напоминало ад –
землю устилал толстый
слой пепла от сгоревших
скал. В радиусе 50
километров от эпицентра
все горело, хотя перед
взрывом здесь лежал снег
высотой в человеческий
рост, в 400 километрах в
заброшенном поселке были
разрушены деревянные дома..
Мощность взрыва в 10 раз
превысила суммарную
мощность всех взрывчатых
веществ, использованных во
второй мировой войне.

47. Механизм действия водородной бомбы.

Последовательность процессов, происходящих при взрыве
водородной бомбы, можно представить следующим образом.
Сначала взрывается находящийся внутри оболочки зарядинициатор термоядерной реакции (небольшая атомная бомба), в
результате чего возникает нейтронная вспышка и создается
высокая температура, необходимая для инициации
термоядерного синтеза. Нейтроны бомбардируют вкладыш из
соединения дейтерия с литием-6. Литий-6 под действием
нейтронов расщепляется на гелий и тритий. Затем начинается
термоядерная реакция в смеси дейтерия с тритием, температура
внутри бомбы стремительно нарастает, вовлекая в синтез все
большее и большее количество водорода.

48. Водородная бомба для стратегической авиации

Самая первая
водородная
бомба,
освоенная
серийным
производством
и принятая
на вооружение
стратегическо
й
авиации.
Окончание
разработки —
1962 г.
Музей РФЯЦ–ВНИИТФ г.Снежинск.

49.

Термоядерные реакции –
это благо или вред?

50.

Преимущества управляемой термоядерной реакции
Идея создания термоядерного реактора зародилась в 1950-х годах. В
настоящее время (2010) управляемый термоядерный синтез ещё не
осуществлён.
Термоядерная
энергетика,
в
которой
используется
абсолютно
нерадиоактивный дейтерий и радиоактивный тритий, но в объемах в
тысячи раз меньших, чем в атомной энергетике, будет более
экологически чистой.
А в возможных аварийных ситуациях радиоактивный фон вблизи
термоядерной электростанции не превысит природных показателей.
При этом на единицу веса термоядерного топлива получается примерно в 10
млн. раз больше энергии, чем при сгорании органического топлива, и
примерно в 100 раз больше, чем при расщеплении ядер урана.
Источник этот практически неисчерпаем, он основан на столкновении ядер
водорода, а водород - самое распространенное вещество во Вселенной.
И.В. Курчатов,
Этой проблемой занимались в CCCР
А.Д. Сахаров,
И.Е. Тамм,
Л.А.Арцимович,
Е.П. Велихов

51.

Термоядерный синтез-надежда
современной энергетики
Термоядерный реактор будет потреблять
очень небольшое количество лития и
дейтерия.
Например,
реактор
с
электрической мощностью 1 ГВт будет
сжигать около 100 кг дейтерия и 300 кг
лития в год. Если предположить, что все
термоядерные
электростанции
будут
производить 5 ·1020
Дж в год, т.е.
половину
будущих
потребностей
электроэнергии,
то
общее
годовое
потребление дейтерия и лития составят
всего 1500 и 4500 тонн. При таком
потреблении содержащегося в воде
дейтерия (0,015%) хватит на то, чтобы
снабжать
человечество
энергией
в
течение многих миллионов лет.

52. Международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР

Проблема управляемого термоядерного синтеза настолько сложна, что
самостоятельно с ней не справится ни одна страна. Поэтому мировое
сообщество избрало самый оптимальный путь - создание проекта
международного термоядерного экспериментального реактора - ИТЭР, в
котором на сегодня участвуют, кроме России, США, Евросоюз, Япония,
Китай и Южная Корея.
Термоядерный реактор будет
построен в Кадараше
(Франция) и введен в
эксплуатацию примерно в
2016 году. Именно ТОКАМАК
должен стать основой
первого в мире
экспериментального
термоядерного реактора.

53. Топливо с Луны (гелий-3)

2
1
H 32 He 42 He 11 p
Эта реакция требует более высоких температур, но является экологически
чистой, поскольку выделяются не всепроникающие нейтроны, как в других
ядерных реакциях, а заряженные протоны, которые несложно уловить без
риска, что конструкционные материалы станут радиоактивными. Срок службы
реактора значительно возрастает, конструкция упрощается, надежность
возрастает. Так как протоны несут электрический заряд, возникает возможность
прямого преобразования термоядерной энергии в электрическую,
минуя потери на тепловое
преобразование. На Земле гелия-3
всего 4 тысячи тонн. Для
обеспечения России нужно
приблизительно 20 тонн гелия-3 в
год, для современной мировой
экономики потребуется около 200
т гелия- 3 в год. Его запасы в
грунте Луны составляет около 1
млн. т. Добыча гелия-3 вполне по
силам космическим ведомствам
уже сейчас.

54. Домашнее задание

§67 (старый учебник),
§67 (новый учебник)
Подготовиться к самостоятельной работе по
теме «Атомная и ядерная физика».
Вычислить энергетический выход ядерной
реакции
235
92
U n Ba Kr 2 n
1
0
139
56
95
36
1
0