Физика. 11 класс

В недрах светящихся звезд (в т.ч. и Солнца) «бушуют» ядерные реакции синтеза, приводящие к выделению энергии с их поверхности в виде излучения. Энергетическая проблема будущего на нашей планете (с учетом ограниченности запасов угля, нефти и газа) может быть решена за счет создания управляемой реакции термоядерного синтеза, в которой будут использованы воды мирового океана.

Несмотря на то что атомные электростанции экологически более чистые по сравнению с тепловыми электростанциями,  у ядерной энергетики есть существенные недостатки. Во-первых, радиоактивные элементы (уран и торий) составляют  по массе в земной коре и их добыча все усложняется. Во-вторых, что делать с растущим количеством радиоактивных отходов?

Этих недостатков можно избежать, если для получения энергии использовать не реакции деления тяжелых ядер, а реакции синтеза легких ядер.        

Эти реакции эффективно протекают при сверхвысоких температурах T~10⁹ K и самоподдерживаются за счет значительного выделения в них энергии. Такие реакции названы термоядерными. Причина выделения энергии та же, что и в случае реакций деления — удельная энергия связи продуктов реакции выше, чем у исходных материалов.

Энергия покоя двух легких ядер больше, чем у образованного из них результирующего ядра. Так как результирующее ядро имеет меньшую массу, то при его образовании должна высвобождаться энергия .

Простейшим примером термоядерной реакции является преобразование дейтерия  в гелий :

.

Массовое число ядра дейтерия , массовое число ядра гелия                В результате реакции синтеза дефект масс

Это составляет 0,63 % общей массы ядер водорода. В то время как при делении урана дефект масс составляет 0,056 %. Следовательно, для одной и той же массы вещества при ядерном синтезе выделяется примерно в 10 раз больше энергии, чем при делении ядра. Если бы этот процесс удалось использовать для производства энергии, то он оказался бы в 10 раз эффективнее процесса деления урана.

Основное преимущество использования ядерного синтеза для получения энергии заключается, прежде всего, в количестве запасов топлива. Для человечества было бы очень удобно, если бы для реакции синтеза требовался наиболее часто встречающийся изотоп водорода . Однако для реакции синтеза его необходимо нагреть до колоссальной температуры. Дейтерий вступает в реакцию синтеза при более низкой температуре, чем изотоп водорода , а тритий  еще при более низкой температуре. Но так как тритий  нестабилен, то в качестве основного ядерного топлива остается лишь дейтерий .

В Мировом океане из 7000 атомов водорода только один является дейтерием . Следовательно, запасы дейтерия в нем составляют . В результате реакции синтеза водорода, который содержится в 1 л воды, выделяется столько же энергии, сколько выделяется при сгорании 300 л бензина. Следовательно, из дейтерия, содержащегося в океане, можно получить столько энергии, сколько выделяется при сгорании бензина, объем которого превышает объем земного шара, т.е. его запасы практически неисчерпаемы. Кроме того, при реакциях синтеза фактически не образуются радиоактивные отходы.

Однако серьезным препятствием на пути к получению энергии является кулоновское отталкивание ядер дейтерия, которое при комнатной температуре не позволяет им сблизиться до расстояний, на которых сказываются короткодействующие ядерные силы притяжения. Для преодоления сил отталкивания необходимо нагреть дейтерий  до очень высоких температур T~109 K , при которых возможны реакции синтеза. Это является существенным препятствием для широкого применения реакций ядерного синтеза в энергетике. Эта температура намного выше температуры внутри Солнца . Термоядерная реакция происходит и в других звездах. В них есть одно существенное преимущество: благодаря колоссальным массам и размерам в них оптимально решается проблема гравитационного удержания и термоизоляции вещества, представляющего собой плазму.

Основным источником энергии Солнца являются реакции, приводящие к превращению четырех протонов в ядро гелия  с выделением  энергии:

В природных условиях такие реакции протекают лишь в недрах звезд, а для осуществления их на Земле необходимо сильно разогреть вещество либо ядерным взрывом, либо мощным газовым разрядом, либо гигантским импульсом лазерного излучения, либо бомбардировкой интенсивным пучком частиц.

Для управления реакциями синтеза необходимо создать термоядерный реактор. Наиболее вероятно осуществление такого реактора на следующих ядерных реакциях синтеза:

,

(1)

,

(2)

,

(3)

.

(4)

Наиболее доступной из реакций синтеза (по области необходимых температур) и энергетически выгодной является реакция (1) между ядрами дейтерия и трития. При этом на один нуклон выделяется 3,5 МэВ, а при реакциях деления — 1 МэВ. Для того чтобы дейтерий мог проникнуть к ядру трития ему необходимо иметь энергию порядка. Рассчитаем температуру, которую должна иметь частица, чтобы иметь такую энергию.

Средняя кинетическая энергия частицы в газе , тогда

При такой температуре вещества почти каждое столкновение частиц приводило бы к ядерной реакции, однако на Земле такие условия недостижимы.

В проблеме термоядерного синтеза есть еще один вопрос: где взять тритий? Тритий в природе содержится в незначительном количестве. Он образуется в  верхних слоях атмосферы при соударении космических частиц с атомами азота. Но его можно получать в ядерных реакторах при облучении  нейтронами. Он может быть получен в самом термоядерном реакторе, если использовать мощные потоки нейтронов:

.

Дейтерий присутствует в природном водороде, и его можно получить, разделяя изотопы водорода. Запасы дейтерия в мировом океане огромны, на многие тысячи лет хватит также запасов лития, необходимого для производства другого изотопа — трития.

Для практического управления термоядерными реакциями важнейшим является создание таких условий, при которых высокотемпературная плазма с помощью магнитных полей устойчиво удерживается в состоянии теплоизоляции. Для этой цели применяются магнитные камеры. Основными видами потерь являются теплота, уходящая через стенки реактора, и тормозное излучение в плазме.

К преимуществам использования реакций синтеза для получения энергии  относятся:

1) высокий выход энергии;

2) экологическая безопасность ректора;

3) отсутствие проблемы захоронения радиоактивных отходов.

Осуществить управляемую термоядерную реакцию в промышленных масштабах, т.е. добиться энергетического выхода, превышающего затраты, пока не удалось.

На Земле удалось осуществить в настоящее время лишь неуправляемую термоядерную реакцию синтеза при взрыве водородной бомбы. Следует заметить, что сначала в водородной бомбе взрывается находящаяся внутри нее атомная бомба. В результате происходит резкий рост температуры до значений (10 - 20)·10⁶ К, при этом возникает поток нейтронов и электромагнитного излучения. Нейтроны вступают в реакцию с изотопом лития, находящимся в бомбе, с образованием трития:

.

Повышение температуры до необходимого значения вместе с образовавшимся тритием приводят к термоядерной реакции:

.

Основная часть энергии (70 %) уносится быстрыми нейтронами и ядрами атомов гелия (20 %).