Термоядерная энергия

     Содержание 

      Введение 

     Во  второй половине XX века перед человечеством стал наиболее ярко возникать вопрос о загрязнении окружающей среды из-за сжигания топливных ресурсов. Вот данные статистики по выбросам в окружающую среду вредных веществ автомобилями: с выхлопными газами автомобилей в атмосферу попало 14,7 миллиона тонн оксида углерода, 3,4 миллиона тонн углеводородов, около одного миллиона тонн оксидов азота, более 5,5 тысячи тонн высокотоксичных соединений свинца. И это данные на далекий 1993 год и если учесть, что каждый год с конвейеров автомобильных заводов сходит свыше 40 миллионов машин, и темпы производства растут, то можно сказать, что уже через десять лет все крупные города мира увязнут в смоге. Также необходимо учесть отходы, выброшенные в атмосферу, с тепловых электростанций. Но у этой проблемы есть другая сторона. Помимо загрязнения окружающей среды, все широко используемые энергетические ресурсы не безграничны. По неутешительным прогнозам при нынешнем уровне потребления их хватит на несколько столетий.  
  Потому сейчас ученые всего мира заняты поиском новых безопасных, долговечных и экологически чистых источников энергии. Одно из прогрессивных направлений в этой области это управляемый термоядерный синтез (УТС). В данном реферате будут рассмотрены физические основы УТС, история его возникновения, технические и инженерные решения для осуществления УТС, а также его значимость в будущем энергетики Земли.

1. Немного истории

     В 1926 г. Эддингтон опубликовал свою книгу "The Internal Constitution of the Stars" ("Внутреннее строение звёзд"). В этой книге  были блестяще изложены представления того времени о физических основах процессов, происходивших в звёздах. Сам Эддингтон внёс существенный вклад в формирование этих представлений. Ещё до него в принципе было ясно, как функционируют звёзды. Однако не было точно известно, откуда берётся энергия, которая поддерживает излучение звёзд. 
  Уже тогда было понятно, что богатое водородом звёздное вещество может быть идеальным источником энергии. Учёные знали, что при превращении водорода в гелий освобождается столько энергии, что Солнце и другие звёзды могут светить миллиарды лет. Таким образом, было ясно, что если разобраться, в каких условиях идёт слияние атомов водорода, то был бы найден великолепный источник энергии звёзд. Однако наука тех лет была ещё очень далека от того, чтобы осуществить превращение водорода в гелий в экспериментальных условиях.

     Астрофизики того времени совсем немного понимали о процессах, происходящих внутри звезд. Они представляли себе звезды как  огромные ядерные реакторы. К сожалению, физики того времени считали, что атомные ядра в звёздах не могут реагировать друг с другом. 
  Эддингтон, довольно долго наблюдавший за процессом светимости звезд, уже тогда смог рассчитать, какая температура должна наблюдаться в недрах Солнца. По его расчётам она должна составлять примерно 40 миллионов градусов. Такая температура, на первый взгляд, казалась очень высокой, но ядерщики считали, что её недостаточно для протекания ядерных реакций. При этой температуре атомы во внутренних областях солнца перемещаются относительно друг друга со скоростями около 1000 километров в секунду. При таких высоких температурах атомы водорода уже теряют свои электроны, протоны уже свободно перемещаются в пространстве. Представим себе, что два протона налетают друг на друга и, в следствия взаимодействия, взаимно отталкиваются. При скоростях 1000 километров в секунду протоны могут приблизится на очень малое расстояние, но под действием силы электрического отталкивания они разлетятся прежде чем смогут объединиться в одно ядро. Как показали расчёты, только при температуре свыше 10 миллиардов градусов частицы движутся с такими скоростями, что, несмотря на силы электрического отталкивания, они смогут приблизится друг другу и слиться. Солнце с температурой 40 миллионов градусов казалось физикам слишком холодным, чтобы в его недрах могло происходить превращение водорода в гелий. Однако Эддингтон был убеждён, что только ядерная энергия может поддерживать излучение звезд, и оказался прав.

2. Физика термоядерного синтеза

     Ядра  атомов состоят из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Ядерные силы удерживают их в ядре, компенсируя кулоновское расталкивание. В электрически нейтральном атоме ядро окружено облаком электронов, число которых в точности равно числу протонов Z в ядре. Химические свойства элементов всецело определяются структурой электронной оболочки атомов, но эта структура, в конечном счёте, определяется зарядом ядра. Поэтому в периодической системе Д.И. Менделеева различные химические элементы расположены в порядке возрастания числа Z. Число нейтронов в ядрах атомов одного и того же химического элемента варьируется в некоторых пределах вокруг среднего значения, которое с увеличением Z растет несколько быстрее числа протонов в ядре. Ядра с одинаковым зарядом Z, но с разным числом нейтронов относят к разным изотопам химического элемента. Отдельный изотоп характеризуется атомным весом A, который, по определению, равен числу нуклонов (т.е. протонов и нейтронов) в ядре. Атомный вес почти не влияет на химические свойства вещества, поэтому в химии атомным весом называют среднюю массу атомов всех изотопов химического элемента с учётом их распространённости в природе, но в ядерной физике под атомным весом подразумевается число нуклонов в ядре.

     Также, в атоме существует величина, называемая дефектом масс. Она равна разности массы ядра и суммы масс всех протонов и нейтронов в ядре. Дефект массы возникает из-за того, что ядро находится в состоянии с меньшей энергией, чем составляющие его нуклоны, когда они не упакованы в ядро. Энергия связи Δε=mc² варьируется от элемента к элементу и от изотопа к изотопу.

     Если  два лёгких ядра сливаются в одно ядро большего размера, дефект массы  которого больше суммы дефектов масс прореагировавших ядер, соответствующая  разность энергии связи высвобождается в виде кинетической энергии продуктов реакции ядерного синтеза. Для преодоления кулоновского отталкивания сливающиеся ядра должны иметь большую энергию, которая естественным образом достигается при нагреве вещества до очень большой температуры. В связи с этим ядерные реакции синтеза часто называют термоядерными реакциями. Термоядерные реакции с выделением энергии являются экзотермическими. Разумеется, существуют и эндотермические реакции синтеза, которые идут с поглощением энергии. Похожее явление наблюдается при реакциях ядерного распада, когда тяжелое ядро распадается на более легкие осколки. Если суммарная энергия осколков превышает энергию исходного ядра, то избыток выделяется в кинетической энергии осколков.

     Энергия связи в различных элементах  в зависимости от числа нуклонов приведена на рис.1. D – обозначает дейтерий, T – тритий. На графике видно, что энергия связи сначала резко растет, а затем, для элементов тяжелее железа, начинает спадать. Тяжелые элементы, такие как уран или плутоний, больше подвержены распаду, чем легкие. Они используются в ядерных реакторах и ядерных бомбах.

     Рис.1. Зависимость энергии связи от атомного веса.

     Ядерные реакции более энергоемкие, нежели химические реакции, поскольку энергия, которая держит протоны и нейтроны вместе в ядре, в миллионы раз больше, чем энергия связи электронов с ядром. Например при рекомбинации электрона на основной уровень в атоме водорода, высвобождается энергия равная потенциалу ионизации 13,6 эВ. Тогда как при слиянии ядра трития с ядром гелия выделяется 17,6 МэВ энергии.

3. Топливные циклы

     Рассмотрим  несколько примеров термоядерных реакций  и их циклов.  
  Протон - протонная реакция. Эта реакция начинается с таких столкновений между протонами, в результате которых получается ядро тяжёлого водорода - дейтерия. Даже в условиях звёздных недр это происходит очень редко. Как правило, столкновения между протонами являются упругими: после столкновения частицы просто разлетаются в разные стороны. Для того чтобы в результате столкновения два протона слились в одно ядро дейтерия, необходимо, чтобы при таком столкновении выполнялись два независимых условия. Во-первых, надо, что у одного из сталкивающихся протонов кинетическая энергия раз в двадцать превосходила бы энергию тепловых движений при температуре звёздных недр. Как уже говорилось выше, только одна стомиллионная часть протонов имеет такую относительно высокую энергию, необходимую для преодоления «кулоновского барьера». Во-вторых, необходимо чтобы за время столкновения один из двух протонов успел бы превратиться в нейтрон, испустив позитрон и нейтрино. Ибо только протон с нейтроном могут образовать ядро дейтерия. Заметим, что длительность столкновения всего лишь около 10^-21 секунды (оно порядка классического радиуса протона, поделённого на его скорость). Если всё это учесть, то получится, что каждый протон имеет реальные шансы  превратиться таким способом в дейтерий только раз в течение несколько миллиардов лет. Но так как протонов в недрах звёзд достаточно много, такие реакции, и притом в нужном количестве, будут иметь место.

     По-другому  складывается судьба вновь образовавшихся ядер дейтерия. Они «жадно», всего  через несколько секунд, «заглатывают»  какой-нибудь близкий протон, превращаясь  в изотоп  ³Нe. После этого изотоп гелия будет взаимодействовать с подобным себе ядром, в результате чего образуется ядро «обыкновенного» гелия и два протона. Так как концентрация изотопа  ³Нe чрезвычайна мала, то  это произойдёт через несколько миллионов лет. Далее представлена последовательность этих реакций и выделяющаяся при них энергия.

     Таблица 1.

     Здесь буква v - означает нейтрино, а y - гамма-квант. 
   Не вся освободившаяся  в результате этой цепи реакций энергия передаётся звезде, так как часть этой энергии уносится нейтрино. С учётом этого обстоятельства энергия, выделяемая при образовании одного ядра гелия, равна 26,2 МэВ.

     Вторая  ветвь протон - протонной реакции  начинается с соединения ядра  ³Нe с ядром "обыкновенного" гелия ³He, после чего образуется ядро бериллия  ⁷Be. Ядро бериллия в свою очередь может захватить протон, после чего образуется ядро бора ⁸B, или захватить электрон и превратиться в ядро лития. В первом случае образовавшийся радиоактивный изотоп ⁸B претерпевает бета-распад: ⁷В - > ⁸Be + v + ß^-. Заметим, что нейтрино, образовавшиеся при  этой реакции, как раз и обнаружили при помощи уникальной, дорогостоящей установки. Радиоактивный бериллий Be весьма неустойчив и быстро распадается на две альфа-частицы. Наконец, последняя, третья ветвь протон - протонной реакции включает в себя следующие звенья:  ⁷Ве после захвата электрона превращается в  ⁷Li, который, захватив протон, превращается в неустойчивый изотоп  ⁸Ве, распадающийся, как во второй цепи, на две альфа - частицы. Углеродно-азотный цикл. Перейдём теперь к рассмотрению углеродно-азотного цикла. Этот цикл состоит из шести реакций. 

     Поясним содержание этой таблицы. 2. Протон, сталкиваясь  с ядром углерода, превращается в  радиоактивный изотоп  ¹³N. При этой реакции излучается y-квант. Изотоп  ¹³N, претерпевая ß-распад с испусканием позитрона и нейтрино, превращается в обычное ядро азота  ¹³N. При этой реакции так же испускается y-квант. Далее, ядро азота сталкивается с протоном, после чего образуется радиоактивный изотоп кислорода  ¹⁵O и y-квант. Затем этот изотоп путём ß - распада превращается в изотоп азота  ¹³N. Наконец, последний, присоединив к себе во время столкновения протон, распадается на обычный углерод и гелий. Вся цепь реакций представляет собой последовательное «утяжеление» ядра углерода путем присоединением протонов с последующими ß⁺ - распадами. Последним звеном этой цепи является восстановление первоначального ядра углерода и образованием нового ядра гелия за счёт четырёх протонов, которые в разное время один за другим присоединились к  ¹²C и образующимся из него изотопам. Как видно, никакого изменения числа ядер  ¹²C в веществе, в котором протекает эта реакция, не происходит. Углерод служит здесь «катализатором» реакции.

     Таблица 2

     Из  таблицы видно, какая энергия  выделяется на каждом этапе углеродно-азотной реакции. Часть этой энергии выделяется в форме нейтрино, возникающих при распаде радиоактивных изотопов ¹³N и ¹⁵C. Нейтрино свободно выходит из звёздных недр наружу, следовательно, их энергия не идёт на нагрев вещества звезды. Например, при распаде  ¹⁵O энергия образующегося нейтрино составляет в среднем около 1 МэВ. Окончательно при образовании одного ядра гелия путём углеродно-азотной реакции выделяется (без учёта нейтрино) 25 МэВ энергии, а нейтрино уносят около 5% этой величины.

4. Методы проведения УТС

     Проводить термоядерный синтез в земных условиях весьма и весьма проблематично. Поскольку  приблизительная температура, необходимая  для термоядерной реакции составляет порядка десяти миллионов градусов Кельвина. Ни один материал на Земле  не в состоянии выдержать такую температуру. Поэтому УТС проводится плазме. Плазмой довольно сложно управлять, существует несколько инженерных решений ее удержаний. Самое популярное – это удержание по средствам магнитного поля. Существует два вида магнитных ловушек, открытые и замкнутые. Открытые ловушки самые простые в своем устройстве. На рис. 2 показана принципиальная схема простейшей открытой ловушки, называемой адиабатической ловушкой Будкера-Поста. Заряженные частицы удерживаются в области слабого магнитного поля и отражаются от сильного магнитного поля на краях ловушки. Важным и основным параметром такой ловушки является отношение магнитного поля в центре и по краям ловушки. Он определяет область удержания частиц в пространстве скоростей. За счет столкновения частиц внутри плазмы их скорость постоянно меняется и постепенно все частицы вылетают из области удержания. Конечно, реально существующие открытые ловушки имеют куда более сложное устройство, отнюдь не одну пару магнитных катушек, и не обязательно круглых. Так же катушки часто делают сверхпроводящими, потому что по ним проходит внушительный ток, иначе они бы просто расплавились. А это значит, что их нужно поместить в сосуд с жидким гелием и поддерживать там низкую температуру. В общем, установка получается весьма внушительных размеров, сложная в управлении и очень дорогостоящая. К тому же, результат работы такой установки в, коммерческом смысле, не окупает себя.

     Второй  тип ловушек – замкнутые ловушки(знаменитые токамаки). Токамак представляет собой тороидальную вакуумную камеру, на которую намотаны катушки для создания (тороидального) магнитного поля(рис. 3.). Из вакуумной камеры сначала откачивают воздух, а затем заполняют её смесью дейтерия и трития. Затем, с помощью индуктора, в камере создают вихревое электрическое поле. Индуктор представляет собой первичную обмотку большого трансформатора, в котором камера токамака является вторичной обмоткой. Электрическое поле вызывает протекание тока и зажигание в камере плазмы.