optics_atomic_and_nuclear_physics / 5_Ядерная физика / Лекция 13_2

Кафедра общей физики ПетрГУ

Лекция 13. ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ АТОМНОГО ЯДРА

(продолжение)

§2. Термоядерный синтез

Ключевые понятия:

синтез ядер

токамак

критерий Лоусона

13.2.1. ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ. Слияние легких ядер в одно ядро сопровождается выделением большой энергии. В природных условиях термоядерные реакции между ядрами водорода протекают в недрах звёзд, в частности во внутренних областях Солнца, и служат постоянным источником энергии, который определяет их излучение. Сгорание водорода в звёздах идёт с малой скоростью, но гигантские размеры и плотности звёзд обеспечивают непрерывное испускание огромных потоков энергии в течение миллиардов лет (Т ~ 107÷108 К).

Реакция синтеза заключается в следующем: берутся два или больше атомных ядра и с применением некоторой силы сближаются на расстояние 2 10-15 м. Ядра объединяются в одно, более тяжелое. При этом масса

исходных двух ядер оказывается больше, чем образовавшегося элемента. Разница масс выделяется в виде энергии в соответствии со знаменитой формулой Е = mc2. Серьезным препятствием для сближения ядер служит их кулоновское отталкивание, энергия которого

W = e2/4 0r 0,7 МэВ.

Температура, соответствующая кинетической энергии одного нуклона (0,35 МэВ), составляет 2,6 109К. Поэтому реакции синтеза называют термоядерными реакциями.

Можно снизить температуру термоядерного синтеза почти на два порядка за счет того, что существует:

распределение молекул по скоростям и некоторая доля частиц обладает энергией, большей средней;

по законам квантовой механики, туннельный эффект. Частица может пройти сквозь

потенциальный барьер, туннелировать, и для этого требуется гораздо меньше энергии.

13.2.2. РЕАКЦИИ ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА. В реакциях термоядерного синтеза могут участвовать практически все легкие элементы, но в земных условиях можно реализовать лишь некоторые из них, для которых нужна сравнительно небольшая температура. Это реакции между тяжелыми изотопами водорода. Например:

1.D + D = T + p (4,03 МэВ);

2.D + D = He3 + n (3,27 МэВ);

3.D + T = He4 + n (17,6 МэВ);

4.D + He3 = He4 + p (18,4 МэВ).

Вотличие от ядерных реакций деления, реакции синтеза не производят долгоживущих радиоактивных осколков тяжелых ядер, что дает принципиальную

возможность создать "чистый" реактор, не обремененный проблемой долговременного хранения радиоактивных отходов.

13.2.3. УПРАВЛЯЕМЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ. КРИТЕРИЙ ЛОУСОНА. В недрах Солнца плазму удерживают огромные гравитационные поля. В лабораторных условиях удержание плазмы оказывается трудной задачей. Проблемами получения и удержания высокотемпературной плазмы заняты физики наиболее развитых стран мира. Применение законов сохранения энергии и

Кафедра общей физики ПетрГУ

числа частиц позволяет выяснить некоторые предъявляемые к реактору синтеза общие требования, не зависящие от каких-либо особенностей технологического или конструктивного характера рассматриваемой системы. Исследуя эффективность различных гипотетических реакторов, Дж. Лоусон (английский физик) получил соотношение между плотностью n и временем удержания τ плазмы (1957):

Это соотношение получило название критерия Лоусона. Если критерий Лоусона выполняется и тепловая энергия достаточно велика (кТ ≈ кэВ), то производство реактором энергии будет в точности равно затраченной энергии. Это означает, что реактор будет самоподдерживающимся.

13.2.4. СПОСОБЫ УДЕРЖАНИЯ ПЛАЗМЫ. Конструкция термоядерного реактора предполагает:

1)получение плазмы, нагретой до температур в сотни миллионов градусов;

2)сохранение плазменной конфигурации в течение времени, необходимого для протекания ядерных реакций.

Исследования по управляемому термоядерному синтезу ведутся в двух направлениях: 1. по разработке квазистационарных систем; 2. по разработке предельно быстродействующих устройств (инерционное удержание).

Из критерия Лоусона следует два способа удержания плазмы: инерционное и магнитное.

Инерционное удержание

Трудности, связанные с удержанием плазмы, можно обойти, если сжигать ядерное горючее за чрезвычайно малые времена, когда нагретое вещество не успевает разлететься из зоны реакции.

Кафедра общей физики ПетрГУ

силами, которые возникают при взаимодействии токов с магнитным полем в плазме. Под действием магнитного поля ионы и электроны движутся по спиралям вдоль его силовых линий

(Рис. 13.7).

Газ при высоких температурах образует высокотемпературную плазму. Для продолжения реакции плазму необходимо удерживать в активном объеме. Никакой материал стенок не в состоянии выдержать подобную температуру. Эффективно удержать горячую плазму можно с помощью электрических и магнитных полей. Плотность плазмы невелика, и критерий Лоусона достигается за счет хорошего удержания энергии в системе, т.е. большого энергетического времени жизни плазмы. Поэтому системы с магнитным удержанием имеют характерный размер плазмы порядка нескольких метров и относительно низкую плотность плазмы, n ~ 1020 м-3 (это примерно в 105 раз ниже, чем плотность атомов при нормальном давлении и комнатной температуре). Удержание плазмы с помощью магнитного поля используется в токамаках и стеллаторах.

Токамак

ТОКАМАК (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками). Впервые схема магнитного термоядерного реактора была предложена А. Д. Сахаровым и И. Е. Таммом (1950). Был разработан под руководством Л. А. Арцимовича.

Токамак – это трансформатор, внутри которого находится один плазменный виток, по которому течет ток. Он представляет по сути полый бублик (тор), на который намотан проводник, образующий магнитное поле (рис. 13.8) Основное магнитное поле в камере-ловушке, содержащей горячую плазму, создается тороидальными магнитными

Рис. 13.8. Схема принципиальных узлов ТОКАМАКа

катушками. Существенную роль в удержании плазмы играет плазменный ток, который протекает вдоль кругового плазменного шнура и создает полоидальное магнитное поле. Ток в плазме поддерживается вихревым электрическим полем, создаваемым первичной обмоткой индуктора. При этом плазменный виток играет роль вторичной обмотки.

Принцип магнитного удержания (рис. 13.9) заключается в использовании сильного магнитного поля для изоляции горячей смеси от первой стенки реактора. При тех температурах, которые нужны для термоядерных

реакций, реагирующая смесь полностью ионизована и состоит из заряженных частиц ионов и электронов, которые движутся независимо друг от друга с относительно редкими столкновениями между собой. Сила Лоренца, действующая на заряженную частицу в магнитном поле, заставляет ее вращаться по так называемой ларморовской окружности с радиусом

Кафедра общей физики ПетрГУ

Здесь m –– масса частицы, е - заряд частицы, В – индукция магнитного поля, v – проекция скорости частицы на направление поперек магнитного поля. Вдоль постоянного магнитного поля частица может двигаться свободно, и поэтому ее траектория в магнитном поле представляет собой спираль, навивающуюся на магнитную силовую линию. Увеличивая магнитное поле, можно уменьшить ларморовский радиус частицы и сделать его существенно меньшим размеров системы и, таким образом, воспрепятствовать разлету плазмы поперек магнитного поля.

1.Поясните физическую сущность термоядерной реакции.

2.Какой температуре теплового движения соответствует энергия электростатического отталкивания ядер?

3.Как называются ядерные реакции, протекающие при таких температурах?

4.В каком состоянии находится вещество при температурах протекания термоядерных реакций?

5.Где встречается вещество при таких температурах?

6.Пояснить, как можно снизить температуру термоядерного синтеза почти на два порядка

за счет распределения молекул по скоростям;

за счет процесса туннелирования частиц с энергией меньшей высоты кулоновского барьера.

7.Пояснить принцип действия токамака.

8.Рассмотреть принципиальную схему лазера. Сформулировать идею лазерного термоядерного синтеза.

9.Расшифровать аббревиатуру «токамак».

10.Рассмотреть действие электрических и магнитных полей на заряженные частицы.

11.Почему синтез легких ядер энергетически более выгоден, чем реакция деления тяжелых?

12.Чем обусловлена экологичность термоядерного синтеза?