МКОУ «Вечерняя школа №4» Реферат по технологии на тему: «Использование ядерной и термоядерной энергии» Йошкар-Ола, 2021 Содержание Введение 1. Составное ядро 1.1 Энергия возбуждения 1.2 Каналы реакций 2. Сечение ядерной реакции 2.1 Выход реакции 3. Прямые ядерные реакции 4. Законы сохранения в ядерных реакциях 4.1 Закон сохранения энергии 4.2 Закон сохранения импульса 4.3 Закон сохранения момента импульса 4.4 Другие законы сохранения 5. Виды ядерных реакций 5.1 Деление ядра 5.2 Термоядерный синтез 5.3 Фотоядерная реакция 6. Применение ядерной энергии: проблемы и перспективы 7. Использование термоядерной энергии 8.Заключение Введение Ядерная реа́кция — процесс образования новых ядер или частиц при столкновениях ядер или частиц. Впервые ядерную реакцию наблюдал Резерфорд в 1919 году, бомбардируя α-частицами ядра атомов азота, она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, имеющих пробег в газе больше пробега α-частиц и идентифицированных как протоны. Впоследствии с помощью камеры Вильсона были получены фотографии этого процесса. По механизму взаимодействия ядерные реакции делятся на два вида: реакции с образованием составного ядра, это двухстадийный процесс, протекающий при не очень большой кинетической энергии сталкивающихся частиц (примерно до 10 МэВ). прямые ядерные реакции, проходящие за ядерное время, необходимое для того, чтобы частица пересекла ядро. Главным образом такой механизм проявляется при очень больших энергиях бомбардирующих частиц. Если после столкновения сохраняются исходные ядра и частицы и не рождаются новые, то реакция является упругим рассеянием в поле ядерных сил, сопровождается только перераспределением кинетической энергии и импульса частицы и ядра-мишени и называется потенциальным рассеянием. Энергия родилась несколько миллионов лет назад, когда люди научились пользоваться огнем. Огонь давал им тепло и свет, был источником вдохновения и оптимизма, оружием против врагов и диких животных, лекарством, помощником в сельском хозяйстве, консервантом, технологическим инструментом и т. д. В течение многих лет огонь поддерживался за счет сжигания растительных источников энергии (древесина, кустарники, камыш, трава, сухие водоросли и т. д.), а затем было обнаружено, что для поддержания огня можно использовать ископаемые вещества: уголь, нефть сланец, торф. Прекрасный миф о Прометее, который поджег людей, появился в древней Греции гораздо позже, чем во многих частях мира, были освоены методы довольно сложного обращения с огнем, его производства и тушения, сохранения огня и рационального использования топлива. В настоящее время известно, что древесина это солнечная энергия, накопленная в процессе фотосинтеза. При сжигании каждого килограмма сухой древесины выделяется около 20 000 кДж тепла, теплота сгорания бурого угля составляет примерно 13 000 кДж / кг, антрацита 25 000 кДж / кг, нефти и нефтепродуктов 42 000 кДж / кг и природного газа 45 000 кДж / кг ... Самая высокая теплотворная способность водорода составляет 120000 кДж / кг. Человечеству нужна энергия, и потребности в ней растут с каждым годом. В то же время запасы традиционного природного топлива (нефть, уголь, газ и т. а.) конечны. Запасы ядерного топлива урана и тория также конечны, из которых плутоний может быть получен в реакторахразмножителях. Запасы водородного термоядерного топлива практически неисчерпаемы, и теперь, в «атомный» век, ученые смогли контролировать ядерный распад атомов и использовать большую энергию, выделяющуюся при этом процессе. Эти реакции называются термоядерными. Они будут обсуждаться в будущем. Само название говорит само за себя, потому что слово «термоядерный» происходит от термоса , что означает температуру. Таким образом, термоядерные реакции это реакции, которые происходят при высоких температурах, значительную роль. когда кинетическая энергия атомов играет 1. Составное ядро Теория механизма реакции с образованием составного ядра была разработана Нильсом Бором в 1936 году[3] совместно с теорией капельной модели ядра и лежит в основе современных представлений о большой части ядерных реакций. Согласно этой теории ядерная реакция идёт в два этапа. В начале исходные частицы образуют промежуточное (составное) ядро за ядерное время, то есть время, необходимое для того, чтобы частица пересекла ядро, примерно равное 10−23 — 10−21с. При этом составное ядро всегда образуется в возбуждённом состоянии, так как оно обладает избыточной энергией, привносимой частицей в ядро в виде энергии связи нуклона в составном ядре и части его кинетической энергии, которая равна сумме кинетической энергии ядра-мишени с массовым числом и частицы в системе центра инерции. 1.1. Энергия возбуждения Энергия возбуждения составного ядра, образовавшегося поглощении свободного нуклона, равна сумме энергии связи части его кинетической энергии при нуклона и : Чаще всего вследствие большой разницы в массах ядра и нуклона примерно равна кинетической энергии бомбардирующего ядро нуклона. В среднем энергия связи равна 8 МэВ, меняясь в зависимости от особенностей образующегося составного ядра, однако для данных ядрамишени и нуклона эта величина является константой. Кинетическая же энергия бомбардирующей частицы может быть какой угодно, например при возбуждении ядерных реакций нейтронами, потенциал которых не имеет кулоновского барьера, значение может быть близким к нулю. Таким образом, энергия связи является минимальной энергией возбуждения составного ядра. 1.2. Переход в Каналы реакций невозбуждённое состояние может осуществляться различными путями, называемыми каналами реакции. Типы и квантовое состояние налетающих частиц и ядер до начала реакции определяют входной канал реакции. После образовавшихся продуктов завершения реакции и реакции их квантовых совокупность состояний определяет выходной канал реакции. Реакция полностью характеризуется входным и выходным каналами. Каналы реакции не зависят от способа образования составного ядра, что может быть объяснено большим временем жизни составного ядра, оно как бы «забывает» каким способом образовалось, следовательно образование и распад составного ядра можно рассматривать как независимые события. К примеру может образоваться как составное ядро в возбуждённом состоянии в одной из следующих реакций: Впоследствии, при условии одинаковой энергии возбуждения, это составное ядро может распасться путём, обратным любой из этих реакций с определённой вероятностью, не зависящей от истории возникновения этого ядра. Вероятность же образования составного ядра зависит от энергии и от сорта ядра-мишени[2]. 2. Сечение ядерной реакции Вероятность реакции определяется так называемым ядерным сечением реакции. В лабораторной системе отсчёта (где ядро-мишень покоится) вероятность взаимодействия в единицу времени равна произведению сечения (выраженного в единицах площади) на поток падающих частиц (выраженный в количестве частиц, пересекающих за единицу времени единичную площадку). Если для одного входного канала могут осуществляться несколько выходных каналов, то отношения вероятностей выходных каналов реакции равно отношению их сечений. В ядерной физике сечения реакций обычно выражаются в специальных единицах — барнах, равных 10−24 см². 2.1. Выход реакции Число случаев реакции, отнесённое к числу бомбардировавших мишень частиц называется выходом ядерной реакции. Эта величина определяется на опыте при количественных измерениях. Поскольку выход непосредственно связан с сечением реакции, измерение выхода по сути является измерением сечения реакции. 3. Прямые ядерные реакции Течение ядерных реакций возможно и через механизм прямого взаимодействия, в основном такой механизм проявляется при очень больших энергиях бомбардирующих частиц, когда нуклоны ядра можно рассматривать как свободные. От механизма составного ядра прямые реакции отличаются прежде всего распределением векторов импульсов частиц-продуктов относительно импульса бомбардирующих частиц. В отличие от сферической симметрии механизма составного ядра для прямого взаимодействия характерно преимущественное направление полёта продуктов реакции вперёд относительно направления движения налетающих частиц. Распределения по энергиям частиц-продуктов в этих случаях также различны. Для прямого взаимодействия характерен избыток частиц с высокой энергией. При столкновениях с ядрами сложных частиц (то есть других ядер) возможны процессы передачи нуклонов от ядра к ядру или обмен нуклонами. Такие реакции происходят без образования составного ядра и им присущи все особенности прямого взаимодействия[1]. 4. Законы сохранения в ядерных реакциях При ядерных реакциях выполняются все законы сохранения классической физики. Эти законы накладывают ограничения на возможность осуществления ядерной реакции. Даже энергетически выгодный процесс всегда оказывается невозможным, если сопровождается нарушением какоголибо закона сохранения. Кроме того, существуют законы сохранения, специфичные для микромира; некоторые из них выполняются всегда, насколько это известно (закон сохранения барионного числа, лептонного числа); другие законы сохранения (изоспина, чётности, странности) лишь подавляют определённые реакции, поскольку не выполняются для некоторых из фундаментальных взаимодействий. Следствиями законов сохранения являются так называемые правила отбора, указывающие на возможность или запрет тех или иных реакций. 4.1. Если , , , Закон сохранения энергии — полные энергии двух частиц до реакции и после реакции, то на основании закона сохранения энергии: При образовании более двух частиц соответственно число слагаемых в правой части этого выражения должно быть больше. Полная энергия частицы равна её энергии покоя Mc2 и кинетической энергии E, поэтому: Разность суммарных кинетических энергий частиц на «выходе» и «входе» реакции Q = (E3 + E4) реакции (или энергетическим выходом − (E1 + E2) называется энергией реакции). Она удовлетворяет условию: Множитель 1/c2 обычно опускают, при подсчёте энергетического баланса выражая массы частиц в энергетических единицах (или иногда энергии в массовых единицах). Если Q > 0, то реакция сопровождается выделением свободной энергии и называется экзоэнергетической, если Q < 0, то реакция сопровождается поглощением свободной энергии и называется эндоэнергетической. Легко заметить, что Q > 0 тогда, когда сумма масс частиц-продуктов меньше суммы масс исходных частиц, то есть выделение свободной энергии возможно только за счёт снижения масс реагирующих частиц. И наоборот, если сумма масс вторичных частиц превышает сумму масс исходных, то такая реакция возможна только при условии затраты какого-то количества кинетической энергии на увеличение энергии покоя, то есть масс новых частиц. Минимальное значение кинетической энергии налетающей частицы, при которой возможна эндоэнергетическая реакция, называется пороговой энергией реакции. Эндоэнергетические реакции называют также пороговыми реакциями, поскольку они не происходят при энергиях частиц ниже порога. Закон сохранения импульса 4.2. Полный импульс частиц до реакции равен полному импульсу частицпродуктов реакции. Если , , , — векторы импульсов двух частиц до реакции и после реакции, то Каждый из векторов может быть независимо измерен на опыте, например магнитным спектрометром. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что закон сохранения импульса справедлив как при ядерных реакциях, так и в процессах рассеяния микрочастиц. Закон сохранения момента импульса 4.3. Момент количества движения также сохраняется при ядерных реакциях. В результате столкновения микрочастиц образуются только такие составные ядра, момент импульса которых равен одному из возможных значений момента, получающегося при сложении собственных механических моментов (спинов) частиц и момента их относительного движения (орбитального момента). Каналы распада составного ядра также могут быть лишь такими, чтобы сохранялся суммарный момент количества движения (сумма спинового и орбитального моментов). 4.4. Другие законы сохранения при ядерных реакциях сохраняется электрический заряд — алгебраическая сумма элементарных зарядов алгебраической сумме зарядов после реакции. до реакции равна при ядерных реакциях сохраняется число нуклонов, что в самых общих случаях интерпретируется как сохранение барионного числа. Если кинетические энергии сталкивающихся нуклонов очень высоки, то возможны реакции рождения нуклонных пар. Поскольку нуклонам и антинуклонам приписываются противоположные знаки, то при любых процессах алгебраическая сумма барионных чисел всегда остаётся неизменной. при ядерных реакциях сохраняется число лептонов (точнее, разность количества лептонов и количества антилептонов, см. Лептонное число). при ядерных реакциях, которые протекают под воздействием ядерных или электромагнитных сил, сохраняется чётность волновой функции, описывающей состояние частиц до и после реакции. Чётность волновой функции не сохраняется в превращениях, обусловленных слабыми взаимодействиями[1]. при ядерных взаимодействиями, реакциях, сохраняется обусловленных изотопический спин. сильными Слабые и электромагнитные взаимодействия изоспин не сохраняют. 5. Виды ядерных реакций Ядерные взаимодействия с частицами носят весьма разнообразный характер, их виды и вероятности той или иной реакции зависят от вида бомбардирующих частиц, ядер-мишеней, энергий взаимодействующих частиц и ядер и многих других факторов. 5.1. Деление ядра Деле́ние ядра́ — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер — экзотермический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения. Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии. 5.2. Термоядерный синтез При нормальной температуре слияние ядер невозможно, так как положительно заряженные ядра испытывают огромные силы кулоновского отталкивания. Для синтеза легких ядер необходимо сблизить их на расстояние порядка 10−15 м, на котором действие ядерных сил притяжения будет превышать кулоновские силы отталкивания. Для того чтобы произошло слияние ядер, необходимо увеличить их подвижность, то есть увеличить их кинетическую энергию. Это достигается повышением температуры. За счет полученной тепловой энергии увеличивается подвижность ядер, и они могут подойти друг к другу на такие близкие расстояния, что под действием ядерных сил сцепления сольются в новое более сложное ядро. В результате слияния легких ядер освобождается большая энергия, так как образовавшееся новое ядро имеет большую удельную энергию связи, чем исходные ядра. Термоядерная реакция — это экзоэнергетическая реакция слияния легких ядер при очень высокой температуре (107 К). Прежде всего, среди них следует отметить реакцию между двумя изотопами (дейтерий и тритий) весьма распространенного на Земле водорода, в результате которой образуется гелий и выделяется нейтрон. Реакция может быть записана в виде + энергия (17,6 МэВ). Выделенная энергия (возникающая из-за того, что гелий-4 имеет очень сильные ядерные связи) переходит в кинетическую энергию, большую часть из которой, 14,1 МэВ, уносит с собой нейтрон как более лёгкая частица[4]. Образовавшееся ядро прочно связано, поэтому реакция так сильно экзоэнергетична. Эта реакция характеризуется наинизшим кулоновским барьером и большим выходом, поэтому она представляет особый интерес для термоядерного синтеза[1]. Термоядерная реакция используется в термоядерном оружии и находится на стадии исследований для возможного применения в энергетике, в случае решения проблемы управления термоядерным синтезом. 5.3. Фотоядерная реакция При поглощении гамма-кванта ядро получает избыток энергии без изменения своего нуклонного состава, а ядро с избытком энергии является составным ядром. Как и другие ядерные реакции, поглощение ядром гаммакванта возможно только при выполнении необходимых энергетических и спиновых соотношений. Если переданная ядру энергия превосходит энергию связи нуклона в ядре, то распад образовавшегося составного ядра происходит чаще всего с испусканием нуклонов, в основном нейтронов. Такой распад ведёт к ядерным реакциям и , которые и называются фотоядерными, а явление испускания нуклонов в этих реакциях — ядерным фотоэффектом. 6. Применение ядерной энергии: проблемы и перспективы Повсеместное применение ядерной энергии началось благодаря научно-техническому прогрессу не только в военной области, но и в мирных целях. Сегодня нельзя обойтись без нее в промышленности, энергетике и медицине. Вместе с тем, использование ядерной энергии имеет не только преимущества, но и недостатки. Прежде всего, это опасность радиации, как для человека, так и для окружающей среды. Применение ядерной энергии развивается в двух направлениях: использование в энергетике и использование радиоактивных изотопов. Изначально атомную энергию предполагалось использовать только в военных целях, и все разработки шли в этом направлении. Использование ядерной энергии в военной сфере. Большое количество высокоактивных материалов используют для производства ядерного оружия. По оценкам экспертов, ядерные боеголовки содержат несколько тонн плутония. Ядерное оружие относят к оружию массового поражения, потому что оно производит разрушения на огромных территориях. По радиусу действия и мощности заряда ядерное оружие делится на: Тактическое. Оперативно-тактическое. Стратегическое. Ядерные боеприпасы делят на атомные и водородные. В основу ядерного оружия положены неуправляемые цепные реакции деления тяжелых ядер и реакции термоядерного синтеза. Для цепной реакции используют уран либо плутоний. Хранение такого большого количества опасных материалов – это большая угроза для человечества. А применение ядерной энергии в военных целях может привести к тяжелым последствиям. Впервые ядерное оружие было применено в 1945 году для атаки на японские города Хиросима и Нагасаки. Последствия этой атаки были катастрофичными. Как известно, это было первое и последнее применение ядерной энергии в войне. Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ). МАГАТЭ создано в 1957 году с целью развития сотрудничества между странами в области использования атомной энергии в мирных целях. С самого начала агентство осуществляет программу «Ядерная безопасность и защита окружающей среды». Но самая главная функция – это контроль за деятельностью стран в ядерной сфере. Организация контролирует, чтобы разработки и использование ядерной энергии происходили только в мирных целях. Цель этой программы – обеспечивать безопасное использование ядерной энергии, защита человека и экологии от воздействия радиации. Также агентство занималось изучением последствий аварии на Чернобыльской АЭС. Также агентство поддерживает изучение, развитие и применение ядерной энергии в мирных целях и выступает посредником при обмене услугами и материалами между членами агентства. Вместе с ООН МАГАТЭ определяет и устанавливает нормы в области безопасности и охраны здоровья. Атомная энергетика. Во второй половине сороковых годов двадцатого столетия советские ученые начали разрабатывать первые проекты мирного использования атома. Главным направлением этих разработок стала электроэнергетика. И в 1954 году в СССР построили первую в мире атомную станцию. После этого программы быстрого роста атомной энергетики начали разрабатывать в США, Великобритании, ФРГ и Франции. Но большинство из них не были выполнены. Как оказалось, АЭС не смогла конкурировать со станциями, которые работают на угле, газе и мазуте. Но после начала мирового энергетического кризиса и подорожания нефти спрос на атомную энергетику вырос. В 70-х годах прошлого столетия эксперты считали, что мощность всех АЭС сможет заменить половину электростанций. В середине 80-х рост атомной энергетики снова замедлился, страны начали пересматривать планы на сооружение новых АЭС. Этому способствовали как политика энергосбережения и снижение цены на нефть, так и катастрофа на Чернобыльской станции, которая имела негативные последствия не только для Украины. После некоторые страны вообще прекратили сооружение и эксплуатацию атомных электростанций. Атомная энергия для полетов в космос. В космос слетало более трех десятков ядерных реакторов, они использовались для получения энергии. Впервые ядерный реактор в космосе применили американцы в 1965 году. В качестве топлива использовался уран235. Проработал он 43 дня. В Советском Союзе реактор «Ромашка» был запущен в Институте атомной энергии. Его предполагалось использовать на космических аппаратах вместе с плазменными двигателями. Но после всех испытаний он так и не был запущен в космос. Следующая ядерная установка «Бук» была применена на спутнике радиолокационной разведки. Первый аппарат был запущен в 1970 году с космодрома Байконур. Сегодня «Роскосмос» и «Росатом» предлагают сконструировать космический корабль, который будет оснащен ядерным ракетным двигателем и сможет добраться до Луны и Марса. Но пока что это все на стадии предложения. Применение ядерной энергии в промышленности. Атомная энергия применяется для повышения чувствительности химического анализа и производства аммиака, водорода и других химических реагентов, которые используются для производства удобрений. Ядерная энергия, применение которой в химической промышленности позволяет получать новые химические элементы, помогает воссоздавать процессы, которые происходят в земной коре. Для опреснения соленых вод также применяется ядерная энергия. Применение в черной металлургии позволяет восстанавливать железо из железной руды. В цветной – применяется для производства алюминия. Использование ядерной энергии в сельском хозяйстве. Применение ядерной энергии в сельском хозяйстве решает задачи селекции и помогает в борьбе с вредителями. Ядерную энергию применяют для появления мутаций в семенах. Делается это для получения новых сортов, которые приносят больше урожая и устойчивы к болезням сельскохозяйственных культур. Так, больше половины пшеницы, выращиваемой в Италии для изготовления макарон, было выведено с помощью мутаций. Также с помощью радиоизотопов определяют лучшие способы внесения удобрений. Например, с их помощью определили, что при выращивании риса можно уменьшить внесение азотных удобрений. Это не только сэкономило деньги, но и сохранило экологию. Немного странное использование ядерной энергии – это облучение личинок насекомых. Делается это для того, чтобы выводить их безвредно для окружающей среды. В таком случае насекомые, появившееся из облученных личинок, не имеют потомства, но в остальных отношениях вполне нормальны. Ядерная медицина. Медицина использует радиоактивные изотопы для постановки точного диагноза. Медицинские изотопы имеют малый период полураспада и не представляет особой опасности как для окружающих, так и для пациента. Еще одно применение ядерной энергии в медицине было открыто совсем недавно. Это позитронно-эмиссионная томография. С ее помощью можно обнаружить рак на ранних стадиях. Применение ядерной энергии на транспорте. В начале 50-х годов прошлого века были предприняты попытки создать танк на ядерной тяге. Разработки начались в США, но проект так и не был воплощен в жизнь. В основном из-за того, что в этих танках так и не смогли решить проблему экранирования экипажа. Известная компания Ford трудилась над автомобилем, который бы работал на ядерной энергии. Но дальше макета производство такой машины не зашло. Все дело в том, что ядерная установка занимала очень много места, и автомобиль получался очень габаритным. Компактные реакторы так и не появились, поэтому амбициозный проект свернули. Наверное, самый известный транспорт, который работает на ядерной энергии – это различные суда как военного, так и гражданского назначения: Атомные ледоколы. Транспортные суда. Авианосцы. Подводные лодки. Крейсеры. Атомные подводные лодки. Плюсы и минусы использования ядерной энергии. Сегодня доля ядерной энергетики в мировом производстве энергии составляет примерно 17 процентов. Хотя человечество использует органическое топливо, но его запасы не бесконечны. Поэтому, как альтернативный вариант, используется ядерное топливо. Но процесс его получения и использования связан с большим риском для жизни и окружающей среды. Конечно, постоянно совершенствуются ядерные реакторы, предпринимаются все возможные меры безопасности, но иногда этого недостаточно. Примером могут служить аварии на Чернобыльской атомной электростанции и Фукусиме. С одной стороны, исправно работающий реактор не выбрасывает в окружающую среду никакой радиации, тогда как из тепловых электростанций в атмосферу попадает большое количество вредных веществ. Самую большую опасность представляет отработанное топливо, его переработка и хранение. Потому что на сегодняшний день не изобретен полностью безопасный способ утилизации ядерных отходов. 7. Использование термоядерной энергии В перспективе самым большим резервом получения энергии является использование термоядерного синтеза с применением изотопов водорода. При термоядерном синтезе энергия высвобождается в результате взаимодействия ядер водорода – дейтерия и трития, которые выступают в качестве топлива. Запасы дейтерия в морской воде практически неисчерпаемы. Трития в природе практически нет, но он может быть получен в самом термоядерном реакторе при реализации реакции нейтронов с литием. Запасы лития на Земле во много раз больше, чем запасы органического топлива. Кроме того, тритий получается из изотопов лития при эксплуатации атомных тяжёловодных реакторов, где он считается отходом производства. В термоядерном реакторе будут сжигаться дейтерий и литий в очень небольшом количестве. При этом из единицы массы термоядерного топлива получится примерно в 10 млн раз больше энергии, чем при сжигании такого же количества ископаемого топлива на ГРЭС и почти в 100 раз больше, чем при расщеплении ядер урана на АЭС. Можно осуществить термоядерный синтез при взаимодействии дейтерия с гелием-3. Однако гелия-3 очень мало, практически он отсутствует. Получить гелий-3 экспериментально очень сложно и дорого. На Луне гелия-3 в 10 тыс. раз больше, чем на Земле. Чтобы покрыть все земные потребности в энергии, достаточно вывезти с Луны 100 т гелия-3. Наличие гелия-3 и дейтерия в термоядерном реакторе делает отходы нерадиоактивными. Если будет создан термоядерный реактор, то он станет потреблять небольшое количество лития и дейтерия. Такой реактор с электрической мощностью 1 ГВт будет сжигать около 100 кг дейтерия и 300 кг лития в год. Термоядерная энергия – более экологически чистая, чем при использовании органического топлива, и более безопасная по сравнению с ядерной энергией. Термоядерные реакции – это реакции слияния лёгких атомных ядер в более тяжёлые, происходящие при сверхвысоких температурах порядка 10 млн. °С и выше, которые необходимы для процесса теплового движения и столкновения ядер с высокой кинетической энергией. Поэтому главная трудность осуществления управляемой искусственной термоядерной реакции связана с созданием эффективной системы, обеспечивающей длительную теплоизоляцию термоядерного рабочего пространства реактора с плазмой от окружающей среды. Термоядерную реакцию можно будет реализовать с использованием следующих основных технологий и технических решений: а) создание термоядерного реактора (типа токамак) с использованием сильного магнитного поля; б) создание термоядерного реактора на базе мощной лазерной системы; в) создание установок с использованием холодного термоядерного синтеза. В управляемом термоядерном реакторе плазму в вакууме нужно разогреть до миллионов градусов с помощью сверхпроводящего магнитного поля очень высокой напряжённости, что не позволит заряженным частицам вылетать за пределы «плазменного шнура». При этом во время реакции синтеза тяжёлых ядер нейтроны магнитным полем не задерживаются и передают свою энергию внутренним стенкам установки, которые охлаждаются водой. Выделенное тепло может сниматься теплоносителем первого контура охлаждения, затем во втором контуре получается пар, который направляется в турбину, как в обычных ТЭС. В настоящее время в мире построено более 100 установок (токамаков) небольшой мощности. Самый мощный токамак мощностью 52 МВт создан в Англии. Однако такие уровни мощностей не решат проблемы обеспечения энергией, поэтому в ближайшей перспективе планируется создание более мощных реакторов. В связи с проблемами, которые могут возникнуть в ближайшие десятилетия по обеспечению энергией промышленности и населения, ряд индустриально развитых стран подписали соглашение о строительстве и вводе в действие к 2020 г. международного термоядерного экспериментального реактора. Энергетическая мощность этого реактора должна составить 500 МВт при 50 МВт электрической мощности, которая будет тратиться на подержание работы реактора. Реактор намечено построить в г. Кадараш на юге Франции. Кроме термоядерного реактора с использованием сверхсильного магнитного поля, учёные в нескольких странах мира приступили к реализации идеи создания термоядерного реактора на базе мощной лазерной системы. Эта система, состоящая из нескольких лазеров, должна со всех сторон равномерно облучать своими лучами смесь из дейтерия с тритием и разогревать её до 120 млн. °С, благодаря чему должна начаться самостоятельная термоядерная реакция. В Калифорнии (США) находится самый большой в мире комплекс, состоящий из 192 лазеров, предназначенный для проведения экспериментов по термоядерному синтезу. Американцы планируют показать работу экспериментального термоядерного реактора с использованием сверхмощного лазера уже в ближайшее время. Система лазеров в таком реакторе работает в импульсном режиме, при котором возникают небольшие ядерные взрывы, которые приводят к нагреву стенок камеры. Далее, по классической схеме, энергия с помощью пара передается паровой турбине и преобразуется в электроэнергию. В проектируемом экспериментальном термоядерном реакторе ещё больше проблем, чем в токамаках. Слишком мал общий КПД современных лазеров, который находится на уровне 10%. Работы с лазерным термоядерным реактором на 10-20 лет отстают от работ с токамаками. Кроме использования токамаков и лазерных термоядерных ректоров ведутся работы с применением холодного термоядерного синтеза. При холодном термоядерном синтезе температура плазмы меняется от 20 до 1000°С и более. Однако информация о возможности использования холодного термоядерного синтеза пока не подтверждена экспериментами. Тем не менее, исследования в этом направлении осуществляют в ряде стран. Канадские учёные заявили о способности в течение 10 лет создать термоядерную установку мощностью 100 МВт, в которой не будет токамака и мощных лазеров. В установке будут использованы жидкий сплав лития и свинца. Создатели установки канадского типа надеяться обогнать по времени пуск термоядерного реактора типа токамак на 20 лет. Ещё в 1980-е годы российские учёные проводили исследования по непосредственному преобразованию термоядерной энергии в электрическую энергию. При положительных результатах таких исследований предполагается получение постоянного тока, который можно будет преобразовать в переменный с помощью полупроводникового инвертора. Термоядерная энергия, полученная и преобразованная по такой технологии, избавит электростанции будущего от паровых котлов, газовых турбин и синхронных генераторов. Будет получен источник постоянного тока, с помощью термоядерного реактора преобразован инвертором в переменный, а дальше будут использованы трансформаторы и линии электропередачи. В настоящее время трудно определить, какой из научных прогнозов использования термоядерной энергии получит практическую реализацию, это покажет будущее. Заключение В приведенных выше примерах рассказывалось о термоядерных реакциях. Поскольку они в основном встречаются в недрах звезд, им пришлось учитывать условия этих реакций. Как видите, термоядерные реакции являются источником энергии для звезд, поэтому вы можете представить себе этот неисчерпаемый источник энергии. В конце концов, это длится миллиарды лет. Это обстоятельство побудило многих ученых искать искусственные термоядерные реакции в «пробирке». Однако эти реакции происходят в «жестких» условиях, которые трудно воспроизвести в лаборатории. В последнее время появляются разработки в области лазерного термоядерного синтеза. Таблетка (кусочек льда) с дейтерием и водородом окружена легко испаряющимся веществом и нагревается лазером, этот субстрат испаряется, а таблетка с D и H, в соответствии с законом сохранения импульса, сжимается. Таким образом, создаются необходимые условия . Начинается термоядерная реакция. Однако, как уже отмечалось, эту реакцию сложно локализовать. Хотя сама идея создания маленького «Солнца» дома заставляет вас искать новые пути этих реакций. Примечательно, что в ближайшем будущем человечество сможет летать на соседние планеты, а космическому кораблю понадобится источник большой энергии термоядерная реакция. Но все это в будущем, и теперь все, что остается, это контролировать термоядерные реакции, а не на Солнце, и прогнозировать поведение последних в зависимости от различных условий.
