Термоядерная реакция ( иначе термоядерный синтез)

В термоядерную реакцию вступают легкие ядра, а в результате синтеза (слияния) они образуют более тяжелое ядро. Такие термоядерные реакции при температурах в миллионы градусов идут в недрах Солнца, где ядра изотопов водорода, сливаясь вместе, образуют более тяжелое ядро атома гелия, при этом выделяется огромная энергия. Чтобы провести слияние (синтез) ядер, т.е. соединить положительно заряженные ядра в новое ядро, необходимо преодолеть действующие между ними кулоновские (электростатические) силы отталкивания. Чтобы преодолеть силы отталкивания участвующие в синтезе частицы должны обладать очень большой кинетической энергией, т.е. иметь большую скорость. Большая скорость частиц достигается повышением температуры вещества до миллионов градусов. Ядерный реакция, происходящая в разогретом веществе называется термоядерной реакцией (синтезом). При таких температурах вещество может существовать только в виде плазмы (полностью ионизированного газа, состоящего из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов). Особенность термоядерной реакции - это выделение большого количества энергии. Как создать новый источник энергии, используя термоядерную реакцию? И как достичь столь высоких температур, как хранить высокотемпературную плазму? В настоящее время уже удалось получить энергию термоядерного синтеза: - это термоядерная или водородная бомба, где проходит неуправляемая термоядерная реакция, имеющая взрывной характер; - это экспериментальные термоядерные установки ТОКАМАК (созданы в СССР) - тороидальные камеры с магнитными катушками, где идет управляемая термоядерная реакция. Трудности, с которыми столкнулись разработчики ТОКАМАКА: - удержать вещество, разогретое свыше 10 млн градусов изолированно от стенок - изоляция плазмы от стенок достигается с помощью магнитного поля ; - разогреть вещество до состояния плазмы - этого добиваются пропусканием через вещество электрического тока; - необходимо обеспечить, чтобы количество теплоты, выделившейся при синтезе, было больше тепла, подводимого к установке для перевода вещества в плазму, для этого рабочее вещество должно быть изолировано от окружающей "холодной" среды. Преимущества использования термоядерного синтеза для получения энергии: - энергия, выделившаяся на один нуклон в результате термоядерной реакции, значительно превышает энергию, выделившуюся на один нуклон в результате деления ядер урана; - топливом для термоядерных установок является тяжелый водород (нерадиоактивный изотоп водорода), а его много в морской воде; - нет опасного радиоактивного излучения, и в процессе реакции не будет радиоактивных отходов. Проблемы использования термоядерного синтеза: - утечка трития (одного из изотопов водорода, участвующего в реакции) - радиация нейтронами.

Термоядерная бомба

В современные ядерные бомбы можно назвать одновременно и термоядерными и водородными, т.к. в них используют энергию синтеза ядер изотопов водорода: дейтерия и трития. Понятия критической массы для термоядерной бомбы не существует. В водородной бомбе обычная плутониевая бомба служит запалом. При взрыве плутониевого запала температура достигает 100 млн. градусов, ядра водорода преодолевают силы отталкивания и сливаются в ядро гелия, выделяя огромную энергию, в три раза большую, чем уран-235 такой же массы. Первая водородная бомба была взорвана в 1952 году. Самая большая из уже взорванных термоядерных бомб в 5 тысяч раз мощнее бомбы, сброшенной на Хиросиму.

КОВАРНЫЙ ТЕРМОЯД

Увидев ядерный взрыв, физик Э.Ферми - один из создателей ядерной и нейтронной физики воскликнул: "Какая красивая физика!". Рождение звезд: они рождаются в результате сжатия огромных облаков газа и пыли. Когда температура в их центре достигает 10 миллионов градусов, четыре атомных ядра водорода при соединении образуют ядро атома гелия и выделяют энергию. Эта термоядерная реакция может продолжаться от нескольких миллионов до нескольких миллиардов лет.

ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ И ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

В настоящее время существование человечества немыслимо без получения и использования большого количества энергии (например, электроэнергии и тепла). Все источники энергии делятся на восполняемые и невосполяемые. Восполняемые источники энергии: вода, ветер, солнце, внутреннее тепло Земли, водород (в составе морской воды). Невосполняемые источники энергии: уголь, торф, газ, нефть, ядерное горючее. В ближайшее время человечеству грозит проблема энергетического голода из-за нехватки топливных ресурсов. Сегодня большую роль в получении энергии играет ядерная энергетика. В зависимости от способа получения ядерной энергии существуют 2 направления ядерной энергетики:

1. Ядерная энергетика деления - в ядерных реакторах используется деление ядер урана и ядерная цепная реакция. Ядра тяжелых элементов (например, урана) являются неустойчивыми, из-за больших сил электростатического отталкивания. В таких ядрах удельная энергия связи меньше ( смотри график зависимости удельной энергии связи от числа нуклонов в ядре). При делении ядер тяжелых элементов определяется энергетическая выгодность этого процесса, так как на выходе реакции деления энергии выделяется больше, чем затрачивается для возбуждения делящихся ядер. Ядерная энергетика деления используется на современных атомных электростанциях (АЭС). Преимущества АЭС: - малое количество топлива -  экологическая чистота при правильной эксплуатации Проблемы ядерной энергетики: - содействие распространению ядерного оружия - радиоактивные отходы -  возможность аварий Пути решения этих проблем: - контроль за нераспространением ядерного оружия - обезвреживание радиоактивных отходов (совершенствование технологий) - выработка стандартов безопасности.

2. Ядерная энергетика синтеза - реакторах термоядерного синтеза (пока только в опытных реакторах типа ТОКАМАК) используется термоядерная реакция. При проведении термоядерной реакции на легких ядрах также определяется энергетическая выгодность реакции синтеза, так как на выходе реакции выделяется больше энергии, чем затрачивается для разгона вступающих в реакцию частиц. При сравнении реакций деления и синтеза ядер было установлено, что термоядерная реакция энергетически более выгодна, чем реакция деления ядра, так как энергия, выделившаяся на один нуклон в результате термоядерной реакции, значительно превышает энергию, выделившуюся на один нуклон в результате деления ядер урана. Ядерная энергетика будущего - это термоядерный синтез - чистый и практически неисчерпаемый источник энергии из обыкновенной морской воды.