Ядерные реакции синтеза. Управляемые термоядерные реакции.

Исследования, проведенные в рамках таких направлений современной физики, как исследование реакция ядерного синтезаи физика плазмы уже нашли практическое применение.В частности, воплотившись в разнообразном промышленном и исследовательском оборудовании, и во множестве бытовых приборов, без которых уже не представляется жизнь современного человека.
В данной работе нами рассмотрены и описаны принципы управляемых термоядерных реакций. Реакция синтеза протекает когда два легких ядра сближаются на очень малые расстояния действия ядерных сил, составляющее менее 1,5 • 10-15 м. Силы кулоновского отталкивания препятствуют сближению положительно-заряженных ядер, следовательно, ядрам требуется сообщить кинетическую энергию, достаточную для преодоления кулоновских противодействий. Наиболее простым явля ...

ВВЕДЕНИЕ 3
1 ХАРАКТЕРИСТИКА РЕАКЦИЙ ЯДЕРНОГО СИНТЕЗА 4
1.1 Принципы ядерного синтеза 4
1.2 Самоподдерживающиеся реакции ядерного синтеза 6
2 ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ 9
3 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТОКАМАКОВ 12
4 ЛАЗЕРНЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ 14
Заключение 19
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 21

век в истории человечества, бесспорно, стал веком физики: теоретически обоснованы, разработаны и воплощены способы получения атомной энергии, каждый год осуществляются десятки космических полетов и запусков искусственных спутников, бурно развивается электроника, в частности, компьютерная техника, лазеры и многое другое. Все это в мире появилось благодаря открытиям и самоотверженному труду физиков.
Сегоднявсе мировое экономически выгодное производство энергии основывается на извлечении энергии из органического топлива, ядерных реакций и гидрообъектов. Данным способамсопутствуют проблемы ресурсного, экологическогои научно-технического характера, поэтому поиск новых энергоисточников продолжается.
Управляемый термоядерный синтез или сокращенно УТС занимает отдельное место среди перспективных источников энергии, являясь своего рода недостижимой пока что идеей энергетически обеспеченного будущего. УТС способен воплотить беспрецедентные по своим достоинствам и масштабам идеи о практически неисчерпаемом источнике энергии. Разработка стабильной и безопасной технологии УТС позволит получить человечеству практически неисчерпаемый чистый источник энергии, поэтому разработки в данном направлении не прекращаются уже в течение более чем пятидесяти лет.
Целью данной работы является рассмотрение такой актуальной для современной цивилизации проблемы как рассмотрение теоретических принципов т разработок в области управляемого термоядерного синтеза.
Основными задачами, решаемыми в данной работе, являются:
• характеристика принципа реакций ядерного синтеза;
• рассмотрение основных типов термоядерных реакций;
• описание принципа действия токамаков;
• рассмотрение основных принципов лазерного термоядерного синтеза

Эта энергия при комнатной температуре составляет только 0,025 эВ. Частицы, находящиеся в тепловом движении, обладают, естественно разнообразными значениями скорости и энергии. Величиной kТ характеризуется наиболее вероятная энергия теплового движения, а средняя же его энергия равна 3/2 kТ. Кроме того, многие частицы имеют значительно превышающую среднее значение энергию.Распределение частиц по скоростям теплового движения теоретически было рассмотрено еще в позапрошлом веке английским ученым Д. Максвеллом. Графически такое распределение показано на рис. 1, отмечены наиболее вероятная и средняя скорости теплового движения. «Хвостом» максвелловского распределения обычно называют распределение в области скоростей, значительно превышающих среднюю скорость [6].Средняя энергия теплового движения частиц при температуре порядка десятков миллионов градусов исчисляется уже в килоэлектроновольтах, а в «хвосте» максвелловского распределения значения энергии достигают десятков килоэлектроновольт. В таких условиях даже атомы тяжелых элементов очень сильно ионизируются, а атомы легких элементов ионизируются полностью.Рис.1. Графический вид распределения Максвелла [1, c.35 – 36]Частицы нагретого до температуры в несколько миллионов градусов Цельсия газа, а также свободные электроны, вырванные из атомов, находятся в тепловом движении, обладая энергиями порядка нескольких килоэлектроновольт и даже десятков килоэлектроновольт. Эти энергии остаются все еще ниже высоты кулоновского потенциального барьера в 400—500 кэВ и недостаточны даже для взаимодействия ядер изотопов водорода. Но вероятность проникновения взаимного проникновения ядер в сквозь кулоновский барьер при их столкновении быстро растет с увеличением энергии. Так, для двух ядер, например дейтерия эта вероятность при Е = -lgКТ= 1,7 кэв (Т = 20 млн. градусов) в 1047 раз больше, чем при значении Е = КТ= 17 эв (Т = 200 тыс. градусов). Еще надо учитывать, что чем выше температура и интенсивнее тепловое движение частиц, тем чаще случаются столкновения ядер, в том числе и тех ядер, которые находятся в «хвосте» максвелловского распределения, и вероятность проникновения которых сквозь кулоновский барьер достаточно велика [1, c.35 – 36].2 ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙИсключить влияние процессов ионизации и возбуждения атомов возможно, если процесс столкновений осуществлять в веществе, которое находится в состоянии полностью ионизованной плазмы. Такое состояние достигается при очень высокой температуре — порядка 10 кэВ (108 К). Поэтому проблема промышленного получения энергии с помощью ядерных реакций синтеза получила название термоядерной. На сегодняшний день человечеству известно два способа осуществления самоподдерживающейся термоядерной реакции.1. Быстрая реакция неуправляемого характера, происходящая при взрыве водородной бомбы. В качестве ядерного взрывчатого вещества в водородной бомбе используются ядра легких элементов (например, ядра дейтерия и лития). Высокая температура, необходимая для начала термоядерного процесса, достигается в результате взрыва атомной бомбы, которая входит в состав водородной бомбы (рис. 1).Рис. 1. Принципиальная схема термоядерной (водородной) бомбы системы деление-синтез-деление: 1 - источник нейтронов, 2 - делящееся вещество (U-235 или Pu-239), 3 - химические взрывчатое вещество, 4 - отражатель нейтронов, 5 - детонатор, 6 - дейтерид лития, 7 - вещество, делящееся на быстрых нейтронах (U-238) [11, C.42]2. Медленная реакция происходит в недрах Солнца и других звезд самопроизвольно. Количество реагирующего вещества в этом случае настолько колоссально, что оно удерживается гравитационными силами и сильно уплотняется (к примеру, до 100 г/см3 в центре Солнца). Кинетическая энергия тепловых перемещений заряженных частиц вследствие больших сечений взаимодействия возможно преобразовать в электроэнергию с близким к единице коэффициентом эффективности. Не имеющие электрического заряда нейтроны обладают значительной проникающей способностью, что затрудняет преобразование их кинетической энергии. Поэтому оценочное значение коэффициента преобразования кинетической энергии нейтронов приближается к 1/3.Условие протекания реакции синтеза заключается в том, чтобы выделяющаяся энергия превышала уносимую из плазмы энергию под действием электромагнитного и корпускулярного излучения Реакция синтеза при равенстве этих величин будет протекать, однако генерации избытка «полезной» энергии не будет происходить. Это равенство называют условием зажигания термоядерной реакции. Впервые в оценочном аналитическом виде оно было получено в 1957 году американским физиком Дж.Д. Лоусоном, поэтому было названо критерием Лоусона [1, 2]:nx > L(T),(1)где х — среднее время удержания плазмы в активной зоне реактора; L(T) — коэффициент Лоусона, зависящий от температуры, типа легких ядер и потерь на излучение.Итак, для осуществления управляемой реакции синтеза в дейтерий-тритиевой плазме необходимо требуется высокая температуру (нагрев) и концентрация ионов (сжатие) в течение определенного времени (удерживание). Современными исследователями детально рассматриваются следующие два способа решения проблемы УТС:длительный (х > 0,17 с) при нагреве дейтерий-тритиевой плазмы низкой плотности (n ~ 1014 см-3) в заданном объеме при температурах ~ 108 К;высокоскоростной (~ 10-9 с) при нагреве малых объемов конденсированного термоядерного топлива (n - 1023 см-3).Большинство исследований проблем УТС проводится с малоконцентрированной плазмой. Основная задачей данного направления заключается в обеспечении длительного времени удержания плазмы. Для предотвращения соприкосновения со стенками рабочего объема применяются магнитные поля различной конфигурации, воплощенные в токамаках, речь о которых пойдет в следующем разделе работы [7].3 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТОКАМАКОВВ первых теоретических работах, давших начало в СССР исследованиям по управляемому термоядерному синтезу впервые был сформулирован принцип магнитного удержания плазмы, рассчитан проект термоядерного реактора, удивительно близкий к реальному термоядерному реактору-токамаку, к которому наука пришла только после 30-летних исследований. Реактор в данных работах представлялся в виде большого радиуса тора D = 12 м c радиус плазмы а=2 м. Плазма должна удерживаться магнитным полем с индукцией до 5 Тл. Для устранения дрейфа частиц в тороидальном поле и одновременного нагрева плазмы предлагалось прямо по плазме пропускать вдоль тора электрический ток.Как теперь, известно, магнитное поле этого тока обеспечивает прокручивание силовых линий и действительно решает проблему дрейфа частиц в тороидальном поле. Поэтому такой реактор, если бы его построили, невзирая на соображения безопасности,, мог бы работать! По крайней мере, время удержания в нем плазмы было бы достаточно велико. Однако в то время было неизвестно необходимое соотношение между величинами тока и магнитного поля. Кроме того, предложение ориентировалось на реакцию D+D, а не D+T. И вообще в то время о плазме было известно так мало, что строить сразу такую огромную и дорогую установку никто, конечно, решиться не мог, и этот проект рассматривался не более как иллюстрация к основной идее магнитного удержания. Идея пропускания тока прямо по плазме естественно привела к идее самосжатого разряда, первое время казавшейся гораздо проще и поэтому более привлекательной. В первые годы исследований усилия по управляемому термоядерному синтезу были прикованы именно к ней [10].После того как в самосжатых разрядах разочаровались из-за неустойчивости, вновь возникла идея обратиться к помощи внешнего магнитного поля, теперь ужо как средства для борьбы с неустойчивостью плазменного шнура.В 1952 г. В. Д. Шафрановым было найдено условие, при котором разряд может быть стабилизирован магнитным полем. После снятия секретности с работ по термоядерной проблеме выяснилось, что аналогичное условие нашел независимо от В. Д. Шафранова английский физик Крускал. С тех пор условие устойчивости называют критерием Шафранова — Крускала. Значение стабилизирующего продольного магнитного поля выбирается в зависимости от размеров плазмы и магнитного поля Bi y созданного текущим по плазме током, или, иными словами, отношение q = B0a/BiR должно превышать единицу. Величина q называется запасом устойчивости и играет важную роль в физике удержания плазмы в токамаках. Экспериментыпо стабилизации прямых плазменных paзрядов продольным магнитным полем показали, что эффект стабилизации действительно есть, поэтому было принято решение поднимать температуру плазмы. Этому метили огромные потери тепла, в частности, из-за переноса тепли вдоль разряда на торцевые электроды. Для устранения этих потерь естественно было перейти к тороидальному разряду [3, 9].Работа на токамаке, по образному выражению одного из основных ее участников В. С. Стрелкова, напоминала плавание на парусной лодке по бурному морю. Множество опасностей подстерегало экспериментатора со всех сторон. Плазма бурно реагировала на малейшие изменения условий эксперимента, и отыскивать островки стабильности среди бурпого моря неустойчивостей было чрезвычайно трудно. В это же время интенсивно развивалась теория неустойчивостей плазмы в токамаке. Вскоре количество теоретически предсказанных неустойчивостей стало исчисляться десятками. Появилась необходимость в классификации: неустойчивости стали делить на классы и виды, подобно тому, как это делается в зоологии. Самый опасный класс неустойчивостей, когда плазма приходит в двюкспие пс.чиком и словно выплескивается на степку, назвали магнитно-гидродинамическим. Потому, что плазма в этом случае ведет себя словно жидкость и ее движение можно описать уравнениями гидродинамики но, конечно, с учетом действия на нее магнитного поля [4, c.54 – 56].4 ЛАЗЕРНЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗСегодня достаточно быстро развивается направление исследований термоядерного синтеза в горячей плазме, получаемой взаимодействием сверхсильных ультракоротких лазерных импульсов со значением интенсивности до 1018 Вт/см2 и длительностью порядка десятков фемтосекунд (фс) с дейтериевыми кластерами. В экспериментах обычно используют титан-сапфировые лазеры светового диапазона с энергией фотона Ei = 1,55 эВ.Кластером называется макромолекула, состоящая из нескольких молекул или атомов. Термин «большой кластер» подразумевает систему из тысяч и более атомов. Отметим, что кластер - это не макроскопическая капля вещества, так как его размеры все же малы в сравнении с длиной волны лазера, поэтому электромагнитное поле лазерного излучения однородно на размере кластера и, как правило, свободно проникает сквозь него.