Проблема управляемого термоядерного синтеза

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального  образования

Забайкальский государственный гуманитарно-педагогический университет

им. Н.Г Чернышевского

 

 

Физико-математический факультет

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

Дисциплина: Актуальные проблемы современной физики

Тема: Проблема управляемого термоядерного синтеза

 

 

 

 

 

Выполнил: студент Группы 132

Направление Информатика

Принял:д.ф.-м.н, профессор Степанов Н. П.

 

 

 

 

 

ЧИТА 2011

 

 

Содержание

 

 Введение…………………………………………………………………………..3

1. Термоядерные реакции на Солнце……………………………………….........5

2. Проблемы управления термоядерным синтезом……………………………..7

2.1 Проблемы магнитного удержания плазмы ……………………………..12

2.2 Экономические проблемы…………………………………………….......14

2.3 Медицинские проблемы…………………………………………………….16

 Заключение…………………………………………………………………........17

Список литературы…………………………………………………………........18

 

 

 Введение

 

Проблема  управляемого термоядерного синтеза - одна из важнейших задач, стоящих  перед человечеством.

Человеческая  цивилизация не может существовать, а тем более развиваться без  энергии. Все хорошо понимают, что  освоенные источники энергии, к  сожалению, могут скоро истощиться. По данным Мирового энергетического  совета, разведанных запасов углеводородного  топлива на Земле осталось на 30 лет.

Сегодня основными источниками энергии  служат нефть, газ и уголь.

По оценкам  специалистов, запасы этих ископаемых на исходе. Почти не осталось разведанных, годных к освоению месторождений  нефти и уже наши внуки могут  столкнуться с очень серьезной  проблемой нехватки энергии.

Наиболее  обеспеченные топливом атомные электростанции могли бы, конечно, еще не одну сотню  лет снабжать человечество электроэнергией.

Объект  исследования: Проблемы управляемого  термоядерного синтеза.

Предмет исследования: Термоядерный синтез.

Цель  исследования: Решить проблему управления  термоядерным синтезом;

Задачи  исследования:

• Изучить виды термоядерных реакций.
• Рассмотреть все возможные варианты донесения энергии, выделявшийся во время термоядерной реакции, до человека.
• Выдвинуть теорию о преобразования энергии в электричество.

Исходный факт:

Ядерная энергия выделяется при распаде  или синтезе атомных ядер. Любая  энергия - физическая, химическая, или  ядерная проявляется своей способностью выполнять работу, излучать высокую  температуру или радиацию. Энергия в любой системе всегда сохраняется, но она может быть передана другой системе или изменена по форме.

Достижению условий управляемого термоядерного синтеза препятствуют несколько основных проблем:

• Во-первых, нужно нагреть газ до очень высокой температуры.
• Во-вторых, необходимо контролировать количество реагирующих ядер в течение достаточно долгого времени.
• В-третьих, количество выделяемой энергии должно быть больше, чем было затрачено для нагревания и ограничения плотности газа.
• Следующая проблема – накопление этой энергии и преобразование её в электричество

 

1. Термоядерные реакции на Солнце

 

Что является источником солнечной  энергии? Какова природа процессов, в ходе которых производится огромное количество энергии? Сколько времени  будет еще светить Солнце?

Первые попытки ответить на эти  вопросы были сделаны астрономами  в середине ХIX века, после формулирования физиками закона сохранения энергии.

Роберт Майер предположил, что  Солнце светит за счет постоянной бомбардировки  поверхности метеоритами и метеорными частицами. Эта гипотеза была отвергнута, так как простой расчет показывает, что для поддержания светимости Солнца на современном уровне необходимо, чтобы на него за каждую секунду  выпадало 2∙10¹⁵ кг метеорного вещества. За год это составит 6∙10²² кг, а за время существования Солнца, за 5 миллиардов лет – 3∙10³² кг. Масса Солнца М = 2∙10³⁰ кг, поэтому за пять миллиардов лет на Солнце должно было выпасть вещества в 150 раз больше массы Солнца.

Вторая гипотеза была высказана  Гельмгольцем и Кельвином также  в середине ХIX века. Они предположили, что Солнце излучает за счет сжатия на 60–70 метров ежегодно. Причина сжатия – взаимное притяжение частиц Солнца, именно поэтому данная гипотеза получила название контракционной. Если сделать расчет по данной гипотезе, то возраст Солнца будет не больше 20 миллионов лет, что противоречит современным данным, полученным по анализу радиоактивного распада элементов в геологических образцах земного грунта и грунта Луны.

Третью гипотезу о возможных  источниках энергии Солнца высказал Джеймс Джинс в начале ХХ века. Он предположил, что в недрах Солнца содержатся тяжелые радиоактивные  элементы, которые самопроизвольно  распадаются, при этом излучается энергия. Например, превращение урана в  торий и затем в свинец, сопровождается выделением энергии. Последующий анализ этой гипотезы также показал ее несостоятельность; звезда, состоящая из одного урана, не выделяла бы достаточно энергии для обеспечения наблюдаемой светимости Солнца. Кроме того, существуют звезды, по светимости во много раз превосходящие светимость нашей звезды. Маловероятно, что в тех звездах запасы радиоактивного вещества будут также больше.

Самой вероятной гипотезой оказалась  гипотеза синтеза элементов в  результате ядерных реакций в  недрах звезд.

В 1935 году Ханс Бете выдвинул гипотезу, что источником солнечной энергии может быть термоядерная реакция превращения водорода в гелий. Именно за это Бете получил Нобелевскую премию в 1967 году.

Химический состав Солнца примерно такой же, как и у большинства  других звезд. Примерно 75 % – это  водород, 25 % – гелий и менее 1 % – все другие химические элементы (в основном, углерод, кислород, азот и т.д.). Сразу после рождения Вселенной "тяжелых" элементов не было совсем. Все они, т.е. элементы тяжелее гелия  и даже многие альфа-частицы, образовались в ходе "горения" водорода в  звездах при термоядерном синтезе. Характерное время жизни звезды типа Солнца десять миллиардов лет.

Основной источник энергии – протон-протонный цикл – очень медленная реакция (характерное время 7,9∙10⁹ лет), так как обусловлена слабым взаимодействием. Ее суть состоит в том, что из четырех протонов получается ядро гелия. При этом выделяются пара позитронов и пара нейтрино, а также 26,7 МэВ энергии. Количество нейтрино, излучаемое Солнцем за секунду, определяется только светимостью Солнца. Поскольку при выделении 26,7 МэВ рождается 2 нейтрино, то скорость излучения нейтрино: 1,8∙10³⁸ нейтрино/с. Прямая проверка этой теории – наблюдение солнечных нейтрино. Нейтрино высоких энергий (борные) регистрируются в хлор-аргонных экспериментах (эксперименты Дэвиса) и устойчиво показывают недостаток нейтрино по сравнению с теоретическим значением для стандартной модели Солнца. Нейтрино низких энергий, возникающие непосредственно в рр-реакции, регистрируются в галлий-германиевых экспериментах (GALLEX в Гран Сассо (Италия – Германия) и SAGE на Баксане (Россия – США)); их также "не хватает".

По некоторым предположениям, если нейтрино имеют отличную от нуля массу  покоя, возможны осцилляции (превращения) различных сортов нейтрино (эффект Михеева – Смирнова – Вольфенштейна) (существует три сорта нейтрино: электронное, мюонное и тауонное нейтрино). Т.к. другие нейтрино имеют гораздо меньшие сечения взаимодействия с веществом, чем электронное, наблюдаемый дефицит может быть объяснен, не меняя стандартной модели Солнца, построенной на основе всей совокупности астрономических данных.

Каждую секунду Солнце перерабатывает около 600 миллионов тонн водорода. Запасов  ядерного топлива хватит еще на пять миллиардов лет, после чего оно постепенно превратится в белый карлик.

Центральные части Солнца будут  сжиматься, разогреваясь, а тепло, передаваемое при этом внешней оболочке, приведет к ее расширению до размеров, чудовищных по сравнению с современными: Солнце расширится настолько, что поглотит Меркурий, Венеру и будет тратить "горючее" в сто раз быстрее, чем в настоящее время. Это приведет к увеличению размеров Солнца; наша звезда станет красным гигантом, размеры которого сравнимы с расстоянием от Земли до Солнца!

Мы, конечно, будем заранее поставлены в известность о таком событии, поскольку переход к новой  стадии займет примерно 100–200 миллионов  лет. Когда температура центральной  части Солнца достигнет 100 000 000 К, начнет сгорать и гелий, превращаясь в тяжёлые элементы, и Солнце вступит в стадию сложных циклов сжатия и расширения. На последней стадии наша звезда потеряет внешнюю оболочку, центральное ядро будет иметь невероятно большую плотность и размеры, как у Земли. Пройдет еще несколько миллиардов лет, и Солнце остынет, превратившись в белый карлик.

2. Проблемы управляемого термоядерного синтеза

 

Исследователи всех развитых стран связывают надежды  на преодоление грядущего энергетического  кризиса с управляемой термоядерной реакцией. Такая реакция - синтез гелия  из дейтерия и трития - миллионы лет  протекает на Солнце, а в земных условиях ее вот уже пятьдесят  лет пытаются осуществить в гигантских и очень дорогих лазерных установках, токамаках (устройство для осуществления реакции термоядерного синтеза в горячей плазме) и стеллараторах (замкнутая магнитная ловушка для удержания высокотемпературной плазмы). Однако есть и другие пути решения этой непростой задачи, и вместо огромных токамаков для осуществления термоядерного синтеза можно будет, вероятно, использовать довольно компактный и недорогой коллайдер - ускоритель на встречных пучках.

Для работы Токамака необходимо очень небольшое количество лития и дейтерия. Например, реактор с электрической мощностью 1 ГВт сжигает около 100 кг дейтерия и 300 кг лития в год. Если предположить, что все термоядерные электростанции будут производить 10 трлн. кВт/ч электроэнергии в год, то есть столько же, сколько сегодня производят все электростанции Земли, то мировых запасов дейтерия и лития хватит на то, чтобы снабжать человечество энергией в течение многих миллионов лет.

Кроме слияния  дейтерия и лития возможен чисто  солнечный термояд, когда соединяются два атома дейтерия. В случае освоения этой реакции энергетические проблемы будут решены сразу и навсегда.

В любом  из известных вариантов управляемого термоядерного синтеза (УТС) термоядерные реакции не могут войти в режим  неконтролируемого нарастания мощности, следовательно, таким реакторам  не присуща внутренняя безопасность.

С физической точки зрения задача формулируется  несложно. Для осуществления самоподдерживающейся реакции ядерного синтеза необходимо и достаточно соблюсти два условия.

1. Энергия,  участвующих в реакции ядер, должна  составлять не менее 10 кэВ.  Чтобы пошел ядерный синтез, участвующие  в реакции ядра должны попасть  в поле ядерных сил, радиус  действия которых 10-12-10-13 с.см. Однако атомные ядра обладают положительным электрическим зарядом, а одноименные заряды отталкиваются. На рубеже действия ядерных сил энергия кулоновского отталкивания составляет величину порядка 10 кэВ. Чтобы преодолеть этот барьер, ядра при столкновении должны иметь кинетическую энергию, по крайней мере не меньше данной величины.

2. Произведение  концентрации реагирующих ядер  на время удержания, в течение  которого они сохраняют указанную  энергию, должно быть не менее  1014 с.см-3. Это условие - так называемый критерий Лоусона - определяет предел энергетической выгодности реакции. Чтобы энергия, выделившаяся в реакции синтеза, хотя бы покрывала расходы энергии на инициирование реакции, атомные ядра должны претерпеть много столкновений. В каждом столкновении, при котором происходит реакция синтеза между дейтерием (D) и тритием (Т), выделяется 17,6 МэВ энергии, т. е. примерно 3.10-12 Дж. Если, например, на поджиг затрачивается энергия 10 МДж, то реакция будет неубыточной, если в ней примут участие не менее 3.1018 пар D-T. А для этого довольно плотную плазму высокой энергии нужно удерживать в реакторе достаточно долго. Такое условие и выражается критерием Лоусона.

Если  удастся одновременно выполнить  оба требования, проблема управляемого термоядерного синтеза будет  решена.

Однако  техническая реализация данной физической задачи сталкивается с огромными  трудностями. Ведь энергия 10 кэВ - это  температура 100 миллионов градусов. Вещество при такой температуре  удержать в течение даже долей секунды можно только в вакууме, изолировав его от стенок установки.

Но существует и другой метод решения этой проблемы – холодный термояд. Что такое холодный термояд - это аналог "горячей" термоядерной реакции проходящий при комнатной температуре.

В природе  существует как минимум, два способа  изменения материи внутри одной  мерности континуума. Можно вскипятить воду на огне, т.е. термически, а можно  в СВЧ печи, т.е. частотно. Результат  один – вода закипает, разница лишь в том, что частотный метод  более быстрый. Также используется достижение сверхвысокой температуры, чтобы расщепить ядро атома. Термический  способ даёт неуправляемую ядерную  реакцию. Энергия холодного термояда – энергия переходного состояния. Одним из основных условий конструкции реактора для проведения реакции холодного термояда есть условие его пирамидально – кристаллической формы. Другим важным условием есть наличие вращающегося магнитного и торсионного полей. Пересечение полей происходит в точке неустойчивого равновесия ядра водорода.

Учёные  Рузи Талейархан из Ок-Риджской Национальной Лаборатории, Ричард Лейхи из Политехнического Университета им. Ренссилира и академик Роберт Нигматулин — зафиксировали в лабораторных условиях холодную термоядерную реакцию.

Группа  использовала мензурку с жидким ацетоном размером с два-три стакана. Сквозь жидкость интенсивно пропускались звуковые волны, производя эффект, известный  в физике как акустическая кавитация, следствием которой является сонолюминесценция. Во время кавитации в жидкости появлялись маленькие пузыри, которые увеличивались до двух миллиметров в диаметре и взрывались. Взрывы сопровождались вспышками света и выделением энергии т.е. температура внутри пузырьков в момент взрыва достигала 10 миллионов градусов по Кельвину, а выделяемой энергии, по утверждению экспериментаторов, достаточно для осуществления термоядерного синтеза.