Управляемый термоядерный синтез

Выполнили: Семенов Никита, Дарья Ткачева
учитель ОБЖ Шевляков Алексей Юрьевич
В термоядерных реакциях выделяется
огромная энергия. Например, в реакции
синтеза дейтерия с образованием гелия
21D+ 21D→ 32He+ 10n
выделяется 3,2 МэВ энергии. В реакции
синтеза дейтерия с образованием трития
21D+ 21D→ 31T+ 11p
выделяется 4,0 МэВ энергии, а в реакции
21D+ 31T→ 42He+ 10n
выделяется 17,6 МэВ энергии.
•
Управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез
более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с
целью получения энергии, который, в отличие от
взрывного термоядерного синтеза (используемого
в термоядерных взрывных устройствах), носит
управляемый характер. Управляемый термоядерный
синтез отличается от традиционной ядерной
энергетики тем, что в последней
используется реакция распада, в ходе которой из
тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В
основных ядерных реакциях, которые планируется
использовать в целях осуществления управляемого
термоядерного синтеза, будут
применяться дейтерий(2H) и тритий (3H), а в более
отдалённой перспективе гелий-3
•
•
Впервые задачу по управляемому термоядерному
синтезу в Советском Союзе сформулировал и предложил
для неё некоторое конструктивное решение советский
физик Лаврентьев О. А.. Кроме него важный вклад в
решение проблемы внесли такие выдающиеся физики,
как А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм, а также Л. А. Арцимович,
возглавлявший советскую программу по управляемому
термоядерному синтезу с 1951 года.
Исторически вопрос управляемого термоядерного
синтеза на мировом уровне возник в середине XX века.
Известно, что И. В. Курчатов в 1956 году высказал
предложение о сотрудничестве учёных-атомщиков
разных стран в решении этой научной проблемы. Это
произошло во время посещения Британского ядерного
центра «Харуэлл»
•
Плюсы - это неисчерпаемый источник энергии. Даже при росте энергетических потребностей человечества запасов
дейтерия хватило бы на тысячи лет, а уж если удастся наладить поставки гелия-3 с Луны - то границ вообще не видно.
Второй плюс - не критичность к площадкам. Такие станции не привязаны к месторождениям ископаемого топлива
(впрочем, и современные тепловые тоже не привязаны, хотя и требуют постоянного подвоза топлива), или к обширным
пустым площадям (как ветровые или солнечные), или к полноводным рекам (как гидростанции).
Третий плюс - намного большая радиационная безопасность по сравнению с АЭС. Такая станция - да - излучает
чрезвычайно сильный поток нейтронов и гамма-лучей, но только ПОКА РАБОТАЕТ. То есть как только реакция
прекращается - прекращается и активность. В этом их огромный плюс по сравнению с традиционными АЭС, где основные
проблемы начинаются как раз тогда, когда станция останавливается, а плавного или аварийного - часто уже все ровно
Ну и ещё один плюс (связанный с радиационной безопасностью) - такие станции неинтересны потенциальным
террористам . Если захват обычной АЭС действительно представляет опасность - из-за попадания в их руки радиоактивных
материалов и риска заражения огромной территории при взрыве АЭС - то для ТЯЭС, где нет накопления радиоактивных
отходов, этот риск отсутствует в принципе.
•
Минусы - СЛОЖНОСТЬ установок управляемого термоядерного синтеза
(неуправляемым уже успешно овладели - это термоядерная бомба).На даный
момент не возможность управления термоядерным рякцией. Первая
промышленная установка в Кадараше будет построена только лет через
шесть, а всего на исследования в этой области потрачены уже 100 миллиардов
долларов. А это значит, что коммерческая эксплуатация таких станций,
способная приносить прибыль инвесторам, а не высасывать средства из
госбюджетов, начнётся нескоро. Ну и второй минус - наведённая
радиоактивность конструкционных материалов, работающих при
интенсивном нейтронном облучении.
•
На Земле первая термоядерная реакция была
осуществлена при взрыве водородной бомбы
12 августа 1953 года на Семипалатинском
полигоне. «Ее отцом» стал академик Андрей
Дмитриевич Сахаров, трижды удостоенный
звания Героя Социалистического Труда за
разработку термоядерного оружия. Высокую
температуру, необходимую для начала
термоядерной реакции, в водородной бомбе
получали в результате взрыва входящей в ее
состав атомной бомбы, играющей роль
детонатора. Термоядерные реакции,
происходящие при взрывах водородных бомб,
являются неуправляемыми.
•
Этот метод используют в установках типа "Токамак"
(Тороидальная Камера с Магнитными Катушками),
впервые созданных в Институте атомной энергии им. И.
В. Курчатова. В таких установках 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 тороидальной 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.
•
•
Главная трудность заключается в том, чтобы удержать плазму внутри
камеры в течение 0,1-1 с без ее контакта со стенками камеры, поскольку
не существует материалов, способных выдерживать столь высокие
температуры. Эту трудность удается частично преодолеть с помощью
тороидального магнитного поля, в котором находится камера. Под
действием магнитных сил плазма скручивается в шнур и как бы "висит"
на линиях индукции магнитного поля, не касаясь стенок камеры.
Началом современной эпохи в изучении возможностей термоядерного
синтеза следует считать 1969 год, когда на российской установке
Токамак Т3 в плазме объемом около 1 м3 была достигнута температура 3
M°C. После этого ученые во всем мире признали конструкцию токамака
наиболее перспективной для магнитного удержания плазмы. Уже через
несколько лет было принято смелое решение о создании установки JET
(Joint European Torus) со значительно большим объемом плазмы (100 м3).
Рабочий цикл установки составляет примерно 1 минуту, так как ее
тороидальные катушки изготовлены из меди и быстро нагреваются. Эта
установка начала работать в 1983 году и остается пока крупнейшим в
мире токамаком, обеспечивающим нагрев плазмы до температуры 150
M°C.
•
•
•
В 2006 представители России, Южной Кореи, Китая, Японии,
Индии, Евросоюза и США подписали в Париже соглашение о
начале работ по строительству первого Международного
термоядерного экспериментального реактора (International
Tokamak Experimental Reactor — ITER). Магнитные катушки
реактора ITER будут созданы на основе сверхпроводящих
материалов (что, в принципе, позволяет работать непрерывно при
условии поддержания тока в плазме), так что проектировщики
надеются обеспечить гарантированный рабочий цикл
длительностью не менее 10 минут.
Реактор будет построен в районе города Кадараш (Cadarache),
расположенного в 60 километрах от Марселя на юге Франции.
Работы по подготовке стройплощадки начнутся весной будущего
года. Возведение самого реактора планируется начать в 2009
году.
Строительство продлится десять лет, работы на реакторе
предполагается проводить в течение двадцати лет. Общая
стоимость проекта составляет примерно 10 миллиардов долларов.
Сорок процентов расходов будет нести Евросоюз, шестьдесят
процентов придутся в равных долях на остальных участников
проекта.
•
•
Другим путем достижения этой цели является лазерный
термоядерный синтез. Сущность такого метода состоит в
следующем. 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.
В отличие от магнитного удержания плазмы, в лазерном время
удержания (т. е. время существования плазмы с высокой
плотностью и температурой, определяющее длительность
термоядерных реакций) составляет 10–10 — 10–11 с, поэтому ЛТС
может осуществляться только в импульсном режиме.
Предложение использовать лазеры для термоядерного синтеза
впервые было высказано в Физическом институте им. П. Н.
Лебедева АН СССР в 1961 Н. Г. Басовым и О. Н. Крохиным.
•
•
В Ливерморской национальной лаборатории имени
Лоуренса в Калифорнии закончено (май 2009)
строительство самого мощного в мире лазерного
комплекса. Он получил название «Национальная
зажигательная установка» (US National Ignition Facility,
NIF). Строительство продолжалось 12 лет. На лазерный
комплекс было потрачено 3,5 млрд. долл.
В основе NIF – 192 мощных лазера, которые будут
одновременно направляться на миллиметровую
сферическую мишень (около 150 микрограммов
термоядерного топлива – смесь дейтерия и трития; в
дальнейшем радиоактивный тритий можно будет
заменить легким изотопом гелия-3). Температура
мишени достигнет в результате 100 млн. градусов, при
этом давление внутри шарика в 100 млрд. раз превысит
давление земной атмосферы.
Спасибо за внимание