«Мы сказали, что поместим Солнце в коробку. Идея прекрасна. Но проблема в том, что мы не знаем, как создать эту коробку» - Пьер Жиль де Жен, лауреат нобелевской премии по физике 1991 года.
В то время, как тяжёлых элементов, требующихся для ядерных реакций на Земле и в целом в космосе довольно мало, лёгких элементов для термоядерных реакций очень много как на Земле, так и в космосе. Поэтому идея использовать термоядерную энергию во благо человечества пришла практически сразу с пониманием процессов, лежащих в её основе – это сулило поистине безграничные возможности, так как запасов термоядерного топлива на Земле должно было хватить на десятки тысяч лет вперёд.
Уже в 1951 году появились два основных направления развития термоядерных реакторов: Андреем Сахаровым и Игорем Таммом была разработана архитектура токамака в котором рабочая камера представляла из себя тор, в то время как Лайманом Спитцером была предложена архитектура более замысловатой конструкции по форме более всего напоминающая лист Мёбиуса перевёрнутый не один, а несколько раз.
Простота принципиальной конструкции токамака позволила длительное время развивать это направление за счёт повышения характеристик обычных и сверхпроводящих магнитов, а также путём постепенного увеличения размеров реактора. Но с повышением параметров плазмы постепенно стали также проявляться и проблемы с её нестабильным поведением, которые тормозили процесс.
Сложность конструкции стеллатора и вовсе привела к тому что после первых экспериментов в 50-х годах развитие этого направления на долгое время остановилось. Новое дыхание оно получило совсем недавно с появлением современных систем автоматизированного проектирования, которые позволили спроектировать стеллатор Wendelstein 7-X с необходимыми для его работы параметрами и точностью конструкции.
Физика процесса и проблемы в его реализации
Атомы железа имеют максимальную энергию связи на нуклон – то есть показатель энергии которую нужно затратить чтобы разделить атом на его составляющие нейтроны и протоны, делённый на их общее количество. Все атомы с меньшей и большей массой имеют этот показатель ниже железа:
При этом в термоядерных реакциях слияния лёгких атомов вплоть до железа выделяется энергия, а масса образующегося атома становится слегка меньше суммы масс исходных атомов на величину, соотносящуюся с выделяемой энергией по формуле E=mc² (так называемый дефект массы). Таким же образом выделяется энергия при ядерных реакциях деления атомов тяжелее железа.
При реакциях слияния атомов выделяется огромная энергия, но для того чтобы извлечь эту энергию нам в начале необходимо приложить определённое усилие для преодоления сил отталкивания между атомными ядрами которые являются положительно заряженными (преодолеть кулоновский барьер). После того как нам удалось сблизить пару атомов на необходимое расстояние в действие вступает сильное ядерное взаимодействие, которое связывает нейтроны и протоны. Для каждого вида топлива кулоновский барьер для начала реакции отличается также, как и отличается оптимальная температура реакции:
При этом первые термоядерные реакции атомов начинают фиксироваться задолго до достижения средней температурой вещества этого барьера благодаря тому, что кинетическая энергия атомов подвержена распределению Максвелла:
Но реакция при относительно низкой температуре (порядка нескольких млн °C) идёт крайне медленно. Так скажем в центре температура достигает 14 млн °C, но удельная мощность термоядерной реакции в таких условиях составляет только 276,5 Вт/м³, а для полного расходования своего топлива Солнцу требуются несколько млрд лет. Такие условия являются неприемлемыми для термоядерного реактора, так как при таком низком уровне выделения энергии мы неизбежно будем затрачивать на нагрев и сжатие термоядерного топлива больше, чем будем получать от реакции взамен.
По мере роста температуры топлива всё большая доля атомов начинает обладать энергией, превышающий кулоновский барьер и эффективность реакции растёт, достигая своего пика. С дальнейшим повышением температуры скорость реакции снова начинает падать уже за счёт того, что кинетическая энергия атомов становится слишком большой и они «проскакивают» мима друг друга не в состоянии удержаться сильным ядерным взаимодействием.
Таким образом решение как получить энергию из управляемой термоядерной реакции было получено довольно быстро, но вот реализация этой задачи затянулась на полвека и так ещё до конца и не закончена. Причина этого кроется в поистине безумных условиях, в которые оказалось необходимо поместить термоядерное топливо – для положительного выхода от реакции его температура должна была составлять несколько десятков млн °C.
Такую температуру физически не могли выдержать никакие стенки, но эта проблема почти сразу привела и к её решению: так как разогретое до таких температур вещество является горячей плазмой (полностью ионизованным газом) которое заряжено положительно, то решение оказалось лежащим на поверхности – нам просто надо было поместить такую разогретую плазму в сильное магнитное поле, которое будет удерживать термоядерное топливо на безопасном расстоянии от стенок.
Прогресс на пути его реализации
Исследования по данной теме идут в нескольких направлениях сразу:
- с помощью использования сверхпроводящих магнитов учёные стараются сократить энергию, затрачиваемую на зажигание и поддержание реакции;
- с помощью новых поколений сверхпроводников повышается индукция магнитного поля внутри реактора, которая позволяет удерживать плазму с более высокими показателями плотности и температуры, что увеличивает удельную мощность реакторов на единицу их объёма;
- исследования в области горячей плазмы и успехи в сфере вычислительной техники позволяют лучше контролировать потоки плазмы, тем самым приближая термоядерные реакторы к их теоретическим пределам эффективности;
- прогресс в предыдущей области также позволяет дольше удерживать плазму в стабильном состоянии, что увеличивает эффективность реактора за счёт того, что нам не надо так часто разогревать плазму вновь.
Не смотря на все трудности и проблемы, лежавшие на пути к управляемой термоядерной реакции, эта история уже приближается к своему финалу. В энергетике принято использовать показатель EROEI – energy return on energy investment (соотношение затраченной энергии при производстве топлива к тому объёму энергии, который мы из него получаем в итоге) для расчёта эффективности топлива. И в то время как EROEI угля продолжает расти, то этот показатель у нефти и газа достиг своего пика в середине прошлого века и теперь неуклонно падает за счёт того, что новые месторождения этих топлив находятся во всё в более труднодоступных местах и на всё больших глубинах:
При этом наращивать производство угля мы также не можем по той причине, что получение энергии из него является очень грязным процессом и буквально уносит жизни людей прямо сейчас от различных заболеваний лёгких. Так или иначе мы сейчас стоим на пороге заката эры ископаемых топлив – и это не происки экологов, а банальные экономические расчёты при взгляде в будущее. При этом EROI у экспериментальных термоядерных реакторов, появившихся также в середине прошлого века, неуклонно росли и в 2007 году достигли психологического барьера в единицу – то есть в этом году человечеству впервые удалось получить посредством термоядерной реакции больше энергии, чем затратить на её осуществление. И несмотря на то что на реализацию реактора , эксперименты с ним и производство уже первой демонстрационной термоядерной электростанции DEMO на основе полученного при реализации ITER опыта потребуется ещё много времени. Уже нет никаких сомнений в том, что за такими реакторами находится наше будущее.
Масса представляет собой особую форму энергии, о чем и свидетельствует известная формула Эйнштейна E = mc 2 . Из нее следует возможность преобразования массы в энергию и энергии в массу. И такие реакции на внутриатомном уровне вещества реально имеют место. В частности, часть массы атомного ядра может превращаться в энергию, и происходит это двумя путями. Во-первых, крупное ядро может распасться на несколько мелких — такой процесс называется реакцией распада . Во-вторых, несколько более мелких ядер могут объединиться в одно более крупное — это так называемая реакция синтеза . Реакции ядерного синтеза во Вселенной распространены очень широко — достаточно упомянуть, что именно из них черпают энергию звезды. Ядерный распад сегодня служит одним из основных источников энергии для человечества — он используется на атомных электростанциях. И при реакции распада, и при реакции синтеза совокупная масса продуктов реакции меньше совокупной массы реагентов. Эта-то разница в массе и преобразуется в энергию по формуле E = mc 2 .
Распад
В природе уран встречается в форме нескольких изотопов, один из которых — уран-235 (235 U) — самопроизвольно распадается с выделением энергии. В частности, при попадании достаточно быстрого нейтрона в ядро атома 235 U последнее распадается на два крупных куска и ряд мелких частиц, включая, обычно, два или три нейтрона. Однако сложив массы крупных фрагментов и элементарных частиц, мы недосчитаемся определенной массы по сравнению с массой исходного ядра до его распада под воздействием удара нейтрона. Эта-то недостающая масса и выделяется в виде энергии, распределенной среди получившихся продуктов распада — прежде всего, кинетической энергии (энергии движения). Стремительно движущиеся частицы разлетаются от места распада и сталкиваются с другими частицами вещества, разогревая их.
Они представляют собой стремительно разлетающиеся от места распада частицы, при этом далеко они не улетают, врезаясь в соседние атомы вещества и разогревая их. Таким образом, энергия, порождаемая ядерным распадом, преобразуется в теплоту окружающего вещества.
В уране, добываемом из природной урановой руды, изотопа урана-235 содержится всего 0,7% от общей массы урана — остальные 99,3% приходятся на долю относительно устойчивого (слабо радиоактивного) изотопа 238 U, который просто поглощает свободные нейтроны, не распадаясь под их воздействием. Поэтому для использования урана в качестве топлива в ядерных реакторах его нужно предварительно обогатить — то есть довести содержание радиоактивного изотопа 235 U до уровня не менее 5%.
После этого уран-235 в составе обогащенного природного урана в атомном реакторе распадается под воздействием бомбардировки нейтронами. В результате из одного ядра 235 U выделяется в среднем 2,5 новых нейтрона, каждый из которых вызывает распад еще 2,5 ядер, и запускается так называемая цепная реакция. Условием для продолжения незатухающей реакции распада урана-235 является превышение числа выделяемых распадающимися ядрами нейтронов числа нейтронов, покидающих урановый конгломерат; в этом случае реакция продолжается с выделением энергии.
В атомной бомбе реакция носит умышленно неконтролируемый характер, в результате чего за доли секунды распадается огромное число ядер 235 U и выделяется колоссальная по своей разрушительности взрывная энергия. В атомных реакторах, используемых в энергетике, реакцию распада необходимо строго контролировать с целью дозирования выделяемой энергии. Хорошим поглотителем нейтронов является кадмий — его-то обычно и используют для управления интенсивностью распада в реакторах АЭС. Кадмиевые стержни погружают в активную зону реактора до уровня, необходимого для снижения скорости выделения свободной энергии до технологически разумных пределов, а в случае падения энерговыделения ниже необходимого уровня частично выводят стержни из активной зоны реакции, после чего реакция распада интенсифицируется до необходимого уровня. Выделившаяся тепловая энергия затем в обычном порядке (посредством турбогенераторов) преобразуется в электрическую.
Синтез
Термоядерный синтез — реакция прямо противоположная реакции распада по своей сути: более мелкие ядра объединяются в более крупные. Самая распространенная во Вселенной реакция вообще — это реакция термоядерного синтеза ядер гелия из ядер водорода: она непрерывно протекает в недрах практически всех видимых звезд. В чистом виде она выглядит так: четыре ядра водорода (протона) образуют атом гелия (2 протона + 2 нейтрона) с выделением ряда других частиц. Как и в случае реакции распада атомного ядра совокупная масса образовавшихся частиц оказывается меньше массы исходного продукта (водорода) — она и выделяется в виде кинетической энергии частиц-продуктов реакции, за счет чего звезды и разогреваются.
В недрах звезд реакция термоядерного синтеза происходит не единовременно (когда сталкиваются 4 протона), а в три этапа. Сначала из двух протонов образуется ядро дейтерия (один протон и один нейтрон). Затем, после попадания в ядро дейтерия еще одного протона, образуется гелий-3 (два протона и один нейтрон) плюс другие частицы. И наконец, два ядра гелия-3 сталкиваются, образуя гелий-4, два протона, а также другие частицы. Однако по совокупности эта трехэтапная реакция дает чистый эффект образования из четырех протонов ядра гелия-4 с выделением энергии, уносимой быстрыми частицами, прежде всего фотонами (см. Эволюция звезд).
Естественная реакция термоядерного синтеза происходит в звездах; искусственная — в водородной бомбе. Увы, человек до сих пор не сумел найти средств для того, чтобы направить термоядерный синтез в управляемое русло и научиться получать за счет него энергию для использования в мирных целях. Однако ученые не теряют надежды на достижение положительных результатов в области получения «мирной и дешевой» термоядерной энергии уже в обозримом будущем — для этого главное научиться удерживать высокотемпературную плазму либо посредством лазерных лучей, либо посредством сверхмощных тороидальных электромагнитных полей (см.
Это
научно-популярная статья, в которой я хочу рассказать интересующимся
ядерным синтезом о его принципах. Это "холодный" и "горячий" термояд,
радиоактивный распад, ядерная реакция расщепления и имеющиеся данные
о синтезе широкого спектра веществ в так называемом процессе
трансмутации.
Что же является тем «философским камнем», который
позволит человеку получить в свое распоряжение ядерный синтез?
- На мой взгляд, это знания! Знания без догм и шарлатанства! При
постижении которых будут провалы и покорения новых вершин.
Возможно прочитав ее, Вы заинтересуетесь этими проблемами и
в будущем займетесь ими основательно подготовившись. Здесь я попытался рассказать
об основных принципах заложенных в природе вещества - материи и
лишний раз подтверждающих представление о простоте и оптимальности
природы.
Что такое ядерный синтез?
В литературе мы часто находим термин «Термоядерный синтез».
Термоядерная реакция, термоядерный синтез (синоним: ядерная реакция синтеза)
Разновидность ядерной реакции, при которой лёгкие атомные ядра объединяются в более тяжёлые ядра. http://ru.wikipedia.org/wiki/ введите для поиска - Термоядерный синтез
Точнее, под термином «Термоядерный синтез» принято считать «Ядерный синтез» с выделением энергии (тепла).
В то же время, понятие «Ядерный синтез» включает:
- Разделение ядра исходного, более тяжелого элемента обычно на
два легких ядра, с образованием новых
химических элементов.
При выполнении условия равенства числа нуклонов тяжелого ядра сумме нуклонов легких ядер плюс получившиеся в процессе деления свободные нуклоны. И суммарная энергия связи в тяжелом ядре равна сумме энергий связи в легких ядрах плюс выделившаяся свободная (избыточная энергия). Примером может служить ядерная реакция деления ядра U. - Соединение двух меньших ядер в одно большее, с образованием
нового химического элемента.
При выполнении условия равенства числа нуклонов тяжелого ядра сумме нуклонов легких ядер плюс получившиеся в процессе деления свободные нуклоны. И суммарная энергия связи в тяжелом ядре равна сумме энергий связи в легких ядрах плюс выделившаяся свободная (избыточная энергия). Примером может служить получение трансурановых элементов физических экспериментах «мишень исходного вещества - ускоритель - ускоренные ядра (протоны).
Для этого процесса существует особое понятие Нуклеосинтез - процесс образования ядер химических элементов тяжелее водорода в ходе реакции ядерного синтеза (слияния).
В процессе первичного нуклеосинтеза образуются элементы не тяжелее лития, теоретическаямодель Большого Взрыва предполагает следующее соотношение элементов:
H - 75%, 4He - 25%, D - 3·10 −5 , 3He - 2·10 −5 , 7Li - 10 −9 ,
что хорошо согласуется с экспериментальными данными определения состава вещества в объектах с большим красным смещением (по линиям в спектрах квазаров.
Звёздный нуклеосинтез - собирательное понятие для ядерных реакций образования элементов тяжелее водорода, внутри звёзд, а также, в незначительной степени,на их поверхности.
В том и другом случае, скажу возможно кощунственную для некоторых фразу, синтез может проходить как при выделении избыточной энергии связи, так и при поглощении недостающей. Поэтому корректнее говорить не о термоядерном синтезе, а о более общем процессе - ядерном синтезе.
Условия существования ядерного синтеза
Общеизвестны критерии существования термоядерного синтеза (для реакции D-T), который возможен при одновременном выполнении двух условий:
где n - плотность высокотемпературной плазмы, τ - время удержания плазмы в системе.
От значения этих двух критериев в основном зависит скорость протекания той или иной термоядерной реакции.
В настоящее время (2012) управляемый термоядерный синтез ещё не осуществлён в промышленных масштабах. Строительство международного экспериментального термоядерного реактора (ITER) находится в начальной стадии. И срок его пуска уже не первый раз откладывается.
Практически те же критерии, но более общие, для синтеза ядер необходимо сблизить их на расстояние порядка 10 −15 м, на котором действие сильного взаимодействия будет превышать силы электростатического отталкивания.
Условия преобразования
Условия преобразования известны, это сближение ядер до расстояний когда начинают действовать внутриядерные силы.
Но это простое условие, не так-то просто выполнить. Существуют кулоновские силы положительно, одноименно заряженных ядер, участвующих в ядерной реакции, которые необходимо преодолеть чтобы сблизить ядра на то расстояние когда начинают действовать внутриядерные силы и ядра объединяются.
Что надо для преодоления кулоновских сил?
Если абстрагироваться от необходимых энергетических затрат на это, то совершенно определенно можно сказать, что сблизив любые два и более ядер на расстояние меньшее 1/2 диаметра ядра мы приведем их к состоянию когда внутриядерные силы приведут к их слиянию. В результате слияния образуется новое ядро, масса которого будет определяться суммой нуклонов в исходных ядрах. Образовавшееся ядро, в случае его неустойчивости, в результате того или иного распада придет через некоторое время в некоторое стабильное состояние.
Обычно ядра участвующие в процессе синтеза существуют в виде ионов, частично или полностью потерявшие электроны.
Сближение ядер достигается несколькими путями:
- Разогрев вещества для придания его ядрам необходимой энергии (скорости) для возможного их сближения,
- Создание сверхвысокого давления в области синтеза достаточного для сближения ядер исходного вещества,
- Создание внешнего электрического поля в зоне синтеза достаточное для преодоления кулоновских сил,
- Создание сверхмощного магнитного поля сжимающего ядра исходного вещества.
Оставив пока для сохранения пока терминологию, посмотрим что такое термоядерный синтез.
Последнее время мы редко слышим об исследованиях «горячего» термоядерного синтеза.
Нас одолевают свои проблемы, более жизненные для нас, чем для всего человечества. Да это и понятно кризис продолжается и мы стремимся выжить.
Но исследования и работы в области термоядерного синтеза продолжаются. Существует два направления работ:
- так называемый, «горячий» ядерный синтез,
- «холодный» ядерный синтез, преданный анафеме, официальной наукой.
Причем их отличие горячий - холодный только описывает условия, которые необходимо создать для протекания данных реакций.
Имеется в виду что в «горячем» ядерном синтезе продукты участвующие в термоядерной реакции надо разогреть, чтобы придать их ядрам определенную скорость (энергию) для преодоления кулоновского барьера, чем создать условия для протекания реакции ядерного синтеза.
В случае «холодного» ядерного синтеза - синтез протекает при внешних нормальных условиях (усредненных по объему установки, а температура а зоне синтеза (в микро объеме) полностью соответствует выделяемой энергии), но поскольку существует сам факт ядерного синтеза, условия необходимые для слияния ядер так же выполняются. Как Вы понимаете требуются определенные оговорки и уточнения, когда говорят о «холодном» ядерном синтезе. Поэтому едва ли применим для этого термина «холодный», скорее подходит обозначение, LENR (низко энергетические ядерные реакции).
Но, думаю Вы понимаете, что термоядерная реакция идет с выделением энергии и в обоих случаях ее результат «горячий» - это выделение тепла. Так например при «холодном» ядерном синтезе, как только количество фактов синтеза станет достаточно большим температура активной среды начнет повышаться.
Не боясь быть нудным повторю, суть ядерного синтеза заключается в сближении ядер вещества участвующего в реакции на расстояние когда на участвующие в ядерном синтезе атома начинают действовать (преобладать) внутриядерные силы под действием которых ядра сольются.
«Горячий» ядерный синтез
Эксперименты с «Горячим» ядерным синтезом проводятся на сложных и дорогих установках использующих самые передовые технологии и позволяющих разогревать плазму до температур более 10 8 К и удерживать ее в вакуумной камере с помощь сверх сильных магнитных полей достаточно длительное время (в промышленной установке это должно выполняться в непрерывном режиме - это все время ее работы, в исследовательских это может быть режим одиночных импульсов и на время необходимое для протекания термоядерной реакции, в соответствии с критерием Лоусона (если интересно, см. http://ru.wikipedia.org/wiki/ введите для поиска - Критерий Лоусона).
Существует несколько типов таких установок, но наиболее перспективной считается установка типа «ТОКАМАК» -ТО роидальная КА мера с МА гнитными К атушками.
| Предложение об использовании управляемого
термоядерного синтеза для
промышленных целей и конкретная схема с использованием
термоизоляции высокотемпературной плазмы электрическим полем
были впервые сформулированы советским физиком О. А.
Лаврентьевым в
работе середины 1950-го года. Эта работа послужила катализатором
советских исследований по проблеме управляемого термоядерного
синтеза А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм в
1951 году предложили модифицировать схему, предложив
теоретическую основу термоядерного реактора, где плазма имела бы
форму тора и удерживалась магнитным полем.
Термин « токамак» был придуман позже И. Н. Головиным, учеником академика Курчатова. Первоначально он звучал как «токамаг» - сокращение от слов «то роидальная ка мера маг нитная», но Н. А. Явлинский, автор первой тороидальной системы, предложил заменить «-маг» на «-мак» для благозвучия. В последующем эта версия была заимствована всеми языками. Первый токамак был построен в 1955 году, и долгое время токамаки существовали только в СССР. Лишь после 1968 года, когда на токамаке T-3 , построенном в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова под руководством академика Л. А. Арцимовича, была достигнута температура плазмы 10 млн градусов, и английские ученые со своей аппаратурой подтвердили этот факт, в который поначалу отказывались верить, в мире начался настоящий бум токамаков. Начиная с 1973 программу исследований физики плазмы на токамаках возглавил Кадомцев Б. Б. Официальная физика считает токамак единственно перспективным устройством для осуществления управляемого термоядерного синтеза. |
В настоящее время (2011) управляемый термоядерный синтез ещё не осуществлён в промышленных масштабах. Строительство международного экспериментального термоядерного реактора (ITER) находится в начальной стадии. (Закончено проектирование)
|
Проект
iter
- путь - проект
международного экспериментального термоядерного реактора.
Проектирование реактора полностью закончено и выбрано место для его строительства на юге Франции, в 60 км от Марселя, на территории исследовательского центра Кадараш. |
||
| Текущие планы: | ||
| Исходныная дата, гг. | Новая дата, гг. | |
| 2007-2019 | 2010-2022 | период строительства реактора. |
| 2026 | 2029 | Первые реакции термоядерного синтеза |
| 2019-2037 | 2022 - 2040 | ожидаются эксперименты, по истечении которых проект будет закрыт, |
| После 2040 | 2043 | реактор станет производить электроэнергию (при условии успешных экспериментов) |
| В связи с экономической ситуацией возможна задержка еще на 3 года, что возможно приведет к необходимости доработки проекта. Это приведет к общей задержке примерно на 5 лет. | ||
|
В проекте ITER
принимают участие Россия, США, Китай, ЕС, Республика Корея,
Индия и Япония. Поскольку реактор будет построен на
территории Евросоюза, то он будет финансировать 40%
стоимости проекта. Остальные страны-участницы финансируют по
10% проекта. Первоначально общая стоимость этой программы
оценивалась в 13 миллиардов евро. Из них 4,7 миллиарда будет
затрачено на капитальное строительство демонстрационной
установки. Термоядерная мощность реактора ITER составит 500
МВт. В последующем стоимость увеличилась до 15 млрд евро,
аналогична сумма потребуется для проведения исследований. В Японии ранее уже начинали строительство ИТЕР на севере острова Хонсю в местечке Роккасе префектуры Аомори, однако в Токио вынуждены были отказаться от самостоятельного возведения реактора, так как в проект необходимо было вложить 600-800 миллиардов иен (около $6-8 миллиардов). |
||
«Холодный» ядерный синтез
Так называемый «холодный» ядерный синтез (как я уже говорил, он холодный пока число событий синтеза - слияния мало), не смотря на отношение официальной науки, тоже имеет место быть.
Логика подсказывает, что условия для сближения ядер могут быть достигнуты и другими способами. Пока мы просто не можем понять физику процессов происходящих в микромире, объяснить их, а поэтому получить повторяемость эксперимента и в результате практического применения.
Инструментальные подтверждения протекания ядерных реакций есть.
В множестве экспериментов зарегистрированы признаки присущие ядерному синтезу (как отдельные так и в совокупности): выделения нейтронов, выделение тепла, побочные излучения, продукты ядерного синтеза.
Логика подсказывает возможность существования ЯС без выделения нейтронов, побочных излучений и даже с поглощением энергии. Но всегда имеет место появление новых химических элементов в продуктах ядерного синтеза.
Например может иметь место ядерная реакция без нейтронов и других излучений
D + 6Li → 2 + 22,4 MeV
Больше того в природе зафиксированы подобные явления.
Ядерный синтез при расщепление вещества
Радиоактивный распад.
В природе известен синтез новых химических элементов в процессе радиоактивного распада.
Радиоактивный распад (от лат. radius «луч» и āctīvus «действенный») - спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер (заряда Z, массового числа A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов. Процесс радиоактивного распада также называют радиоактивностью, а соответствующие элементы радиоактивными. Радиоактивными называют также вещества, содержащие радиоактивные ядра.
Установлено, что радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), и многие более лёгкие элементы (прометий и технеций не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, таких как индий, калий или кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны).
Виды радиоактивного распада
Расщепление вещества, 238 U
Ядерную реакцию расщепления ядра Урана 238 U можно тоже отнести к реакциям ядерного синтеза, с тем отличием, что происходит синтез более легких ядер при том или ином расщеплении тяжелого ядра 238 U. При этом выделяется энергия которую и используют в ядерной энергетике. Но не буду здесь рассказывать о цепной реакции, ядерном реакторе...
Сказанного уже хватит чтобы отнести реакцию расщепления ядра к категории реакций ядерного синтеза.
Трансмутации вещества
Слово трансмутации, так не любимое официальной наукой, возможно за то что им, в былые времена, (когда ученых званий еще и не было) активно пользовались алхимики, все таки наиболее полно отражает процесс преобразования вещества.
Трансмутация (от лат. trans - сквозь, через, за; лат. mutatio - изменение, перемена)
Превращение одного объекта в другой. Термин имеет несколько значений, но мы опустим значения не относящиеся к нашей теме:
- Трансмутация в физике - превращение атомов одних химических элементов в другие в результате радиоактивного распада их ядер либо ядерных реакций; в настоящее время в физике термин употребляется редко.
А возможно слово «превращение» им кажется сродни слову «волшебство», но ведь имеет место быть всем понятное естественное «превращение» изотопов одних химических элементов в другие химические элементы.
Среди тяжелых естественных радиоактивных элементов известно 3 семейства 238 92 U, 235 92 U, 232 90 U после ряда последовательных α и β распадов превращаются в стабильные 206 82 Pb, 207 82 Pb, 208 82 Pb.
И ряд других [Л. 5]:
И слово превращение здесь весьма кстати.
Конечно, кому это ближе, могут с полным правом применить термин синтез.
Здесь нельзя не упомянуть работы по очистке промышленных стоков, проводившиеся Вачаевым А.В.[Л.7], которые привели к обнаружению совершенно новых эффектов ядерного синтеза, эксперимент Уруцкоева Л.И.[Л.6], подтвердивший возможность ядерного преобразования (трансмутации) и исследования проведенные Паньковым В.А., Кузьминым Б.П.[Л.10], полностью подтвердившие результаты Вачаева А.Л по преобразование вещества в электрическом разряде. Но подробно Вы можете посмотреть их работы по ссылкам.
Экспериментаторами обсуждается возможность преобразования вещества в растениях.
Термином "Трансмутация" можно обозначить и синтез сверхтяжелых элементов.
Синтез сверхтяжелых элементов тоже ядерный синтез
Первые Трансурановые элементы (ТЭ) были синтезированы в начале 40-х гг. 20 в. в Беркли (США) группой учёных под руководством Э. Макмиллана и Г. Сиборга, удостоенных Нобелевской премии за открытие и изучение этих элементов. Известно несколько способов синтеза ТЭ. Они сводятся к облучению мишени потоками нейтронов или заряженных частиц. Если в качестве мишени используется U, то с помощью мощных нейтронных потоков, образующихся в ядерных реакторах или при взрыве ядерных устройств, можно получить все ТЭ до Fm (Z = 100) включительно. Процесс синтеза состоит либо в последовательном захвате нейтронов, причём каждый акт захвата сопровождается увеличением массового числа А, приводящим к β - распаду и увеличению заряда ядра Z, либо в мгновенном захвате большого числа нейтронов (взрыв) с длинной цепочкой β - распадов. Возможности этого метода ограничены, он не позволяет получать ядра с Z > 100. Причины - недостаточная плотность нейтронных потоков, малая вероятность захвата большого числа нейтронов и (что наиболее важно) очень быстрый радиоактивный распад ядер с Z > 100.
Для синтеза далёких ТЭ используется два типа ядерных реакций - слияния и деления. В первом случае ядра мишени и ускоренного иона полностью сливаются, а избыточная энергия образовавшегося возбуждённого составного ядра снимается путём «испарения» (выделения) нейтронов. При использовании ионов С, О, Ne и мишеней из Pu, Cm, Cf образуется сильно возбуждённое составное ядро (энергия возбуждения ~ 40-60 Мэв). Каждый испаряемый нейтрон способен унести из ядра энергию в среднем порядка 10-12 Мэв, поэтому для «остывания» составного ядра должно вылететь до 5 нейтронов. С испарением нейтронов конкурирует процесс деления возбуждённого ядра. Для элементов с Z = 104-105 вероятность испарения одного нейтрона в 500-100 раз меньше вероятности деления. Это объясняет малый выход новых элементов: доля ядер, которые «выживают» в результате снятия возбуждения, составляет всего 10-8-10-10 от полного числа ядер мишени, слившихся с частицами. В этом кроется причина того, что за последние 20 лет синтезировано всего 5 новых элементов (Z = 102-106).
В ОИЯИ разработан новый метод синтеза ТЭ, основанный на реакциях слияния ядер, причём в качестве мишеней используются плотно упакованные устойчивые ядра изотопов Pb, а в качестве бомбардирующих частиц сравнительно тяжёлые ионы Ar, Ti, Cr. Избыточная энергия ионов расходуется на «распаковку» составного ядра, и энергия возбуждения оказывается низкой (всего 10-15 Мэв). Для снятия возбуждения такой ядерной системы достаточно испарения 1-2 нейтронов. В итоге получается весьма заметный выигрыш в выходе новых ТЭ. Этим методом был осуществлен синтез ТЭ с Z = 100, Z = 104 и Z = 106.
В 1965 Флёров предложил использовать для синтеза ТЭ вынужденное деление ядер под действием тяжёлых ионов. Осколки деления ядер под действием тяжёлых ионов имеют симметричное распределение по массе и заряду с большой дисперсией (следовательно, в продуктах деления можно обнаружить элементы с Z значительно, большим, чем половина суммы Z мишени и Z бомбардирующего иона). Экспериментально было установлено, что распределение осколков деления становится шире по мере использования всё более тяжёлых частиц. Применение ускоренных ионов Xe или U позволило бы получить новые ТЭ в качестве тяжёлых осколков деления при облучении урановых мишеней. В 1971 в ОИЯИ были ускорены ионы Xe с помощью 2 циклотронов, которыми облучалась урановая мишень. Результаты показали, что новый метод пригоден для синтеза тяжёлых ТЭ.
Для синтеза ТЭ делают попытки использовать реакция (слияние) ядер титана-50 и калифорния-249. По расчетам, там вероятность образования ядер 120-го элемента несколько выше.
Устойчивые состояния ядер
Само наличие короткоживущих и долгоживущих изотопов, стабильных ядер и современное знания об их строении говорят об определенных зависимостях и сочетаниях количества нуклонов в ядре, которые придают им способность существовать в указанные выше сроки.
Это же подтверждает и отсутствие других химических элементов.
Логика подсказывают существования законов определяющих определенный нуклонный состав ядра (подобно его электронным оболочкам).
Или другими словами формирование ядра происходит по определенным квантованным зависимостям, которые подобны электронным оболочкам. Других устойчивых (долгоживущих) ядер (атомов) химических элементов просто не может быть.
В то же время это не отрицает возможность существования других сочетаний нуклонов и их количества в ядре. Но время жизни такого ядра существенно ограничено.
Что касается неустойчивых (короткоживущих) ядер (атомов), то там могут, в определенных условиях, существовать ядра имеющие другие сочетания нуклонов и их количества в ядре, по сравнению со стабильными ядрами и во множестве их сочетаний.
Наблюдения показывают, что при увеличении количества нуклонов (протонов или нейтронов) в ядре существуют определённые числа, при которых энергия связи следующего нуклона в ядре намного меньше, чем последнего. Особой устойчивостью отличаются атомные ядра, содержащие магические числа 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114, 126 , 164 для протонов и 2, 8, 20, 28, 50, 82 , 126 , 184, 196, 228, 272, 318 для нейтронов. (Жирным выделены дважды магические числа, то есть магические и для протонов и для нейтронов)
Магические ядра являются наиболее устойчивыми. Это объясняется в рамках оболочечной модели: дело в том, что протонные и нейтронные оболочки в таких ядрах заполнены - как и электронные у атомов благородных газов.
Согласно этой модели, каждый нуклон находится в ядре в определённом индивидуальном квантовом состоянии, характеризуемом энергией, моментом вращения (его абсолютной величиной j, а также проекцией m на одну из координатных осей) и орбитальным моментом вращения l.
Оболочечная модель ядра фактически является полуэмпирической схемой, позволяющей понять некоторые закономерности в структуре ядер, но не способной последовательно количественно описать свойства ядра. В частности, ввиду перечисленных трудностей непросто выяснить теоретически порядок заполнения оболочек, а следовательно, и «магические числа», которые служили бы аналогами периодов таблицы Менделеева для атомов. Порядок заполнения оболочек зависит, во-первых, от характера силового поля, которое определяет индивидуальные состояния квазичастиц, и, во-вторых, от смешивания конфигураций. Последнее обычно принимается во внимание лишь для незаполненных оболочек. Наблюдаемые на опыте магические числа общие для нейтронов и протонов (2, 8, 20, 28, 40, 50, 82, 126) отвечают квантовым состояниям квазичастиц, движущихся в прямоугольной или осцилляторной потенциальной яме со спин-орбитальным взаимодействием (именно благодаря ему и возникают числа 28, 40, 82, 126)
Физика микромира и наносекунд
Законы физики едины везде и не зависят от размеров систем где они действуют. И нельзя говорить об аномальных явлениях. Любая аномальность говорит о нашем непонимании происходящих процессов и сути явлений. Только в каждом случае они могут проявляться по разному поскольку в каждой ситуации накладываются свои граничные условия.
Например:
- В масштабах космоса имеет место хаотическое движение вещества.
- В галактических масштабах мы имеем упорядоченное движение вещества.
- При уменьшении рассматриваемых объемов до размера планет движение вещества тоже упорядоченное, но его характер меняется.
- При рассмотрении объемов газов и жидкостей содержащих группы атомов или молекул движение вещества приобретает хаотический характер (Броуновское движение).
- В объемах соизмеримых с размером атома и менее, вещество снова приобретает организованное движение.
Поэтому учитывая граничные условия можно наткнуться на совершенно необычные для нашего восприятия явления и процессы.
Как сказал кто-то из старых философов: «Бесконечно малое может быть бесконечно большим». Перефразируя, можно сказать и про вещество, «В бесконечно малом скрыта бесконечно большие...» Вместо многоточия поставить: давление, температура, напряженность электрического или магнитного полей.
И это подтверждают имеющиеся данные о величине энергии молекулярных связей, кулоновских, внутриядерных сил (энергии связи нуклонов в ядре).
Поэтому в микромире возможны сверхвысокие давления, сверх высокие напряженности электрического и магнитного поля и сверхвысокие температуры. Чем хорошо использование возможностей микро объемов (мира), то что на получение этих сверх значений, чаще всего, не нужны огромные энергетические затраты.
Некоторые примеры имеющие признаки ядерного синтеза:
- 1. В 1922 году Вендт и Айрион изучали электровзрыв тонкой вольфрамовой проволочки в вакууме . Главным результатом этого эксперимента является появление макроскопического количества гелия – экспериментаторы получали около одного кубического сантиметра газа (при нормальных условиях) за один выстрел, что давало основания им предположить о протекании реакции деления ядра вольфрама.
- В эксперименте Араты 2008 года, как и в эксперименте Флейшнера-Понса в 1989-м, производится насыщение кристаллической решётки палладия дейтерием. В результате происходит аномальное выделение тепла, которое у Араты продолжалось 50 часов после прекращения подачи дейтерия. То, что это ядерная реакция, подтверждает наличие гелия в продуктах реакции, которого там не было до того.
- Реактор М.И. Солина (г. Екатеринбург) представляет собой обычную вакуумную плавильную печь, где электронным лучом с ускоряющим напряжением 30 кВ расплавлялся цирконий [Солин 2001]. При определённой массе жидкого металла начинались реакции, которые сопровождались аномальными электромагнитными эффектами, выделением энергии, превышающей подводимую, а после анализа образцов вновь застывшего металла там были найдены "чужеродные" химические элементы и странные структурные образования.
- В конце 90-х годов Л.И. Уруцкоевым (компания РЭКОМ, дочернее предприятие Курчатовского института) были получены необычные результаты электровзрыва титановой фольги в воде. Здесь открытие было сделано по классической схеме - получались неправдоподобные результаты обычных экспериментов (энергетический выход электровзрыва был слишком большим), и команда исследователей решила разобраться, в чём тут дело. То, что они нашли, их сильно удивило.
- Н.Г. Ивойлов (Казанский университет) совместно с Л.И.Уруцкоевым изучал мессбауэровские спектры железной фольги при воздействии на неё "странного излучения".
- В Киеве, в частной физической лаборатории "Протон-21" (http://proton-21.com.ua/) под руководством С.В. Адаменко, были получены экспериментальные свидетельства ядерного перерождения металла под воздействием когерентных пучков электронов. Начиная с 2000 года проведены тысячи экспериментов ("выстрелов") на цилиндрических мишенях небольшого (порядка миллиметра) диаметра, в каждом из которых происходит взрыв. внутренней части мишени, а в продуктах взрыва находится практически вся стабильная часть таблицы Менделеева , причём в макроскопических количествах, а также сверхтяжёлые стабильные элементы, наблюдаемые в истории науки впервые .
- Холодный ядерный синтез, Колдамасов А.И., 2005, При выявлении эмиссионных свойств некоторых диэлектрических материалов на гидродинамической установке для кавитационных испытаний (см. а/св 2 334405) обнаружено, что при истечении пульсирующей диэлектрической жидкости с частотой пульсации около 1 КГц, через круглое отверстие, на входе жидкости в отверстие возникает электрический заряд большой плотности с потенциалом относительно земли более 1 миллиона вольт. Если использовать в качестве рабочего тела смесь легкой и тяжелой воды без примесей с удельным сопротивлением не ниже 10 31 Ом*м в поле этого заряда можно наблюдать ядерную реакцию, параметры которой легко регулируются. При весовом соотношении легкой и тяжелой воды 100:1 наблюдалось: нейтронный поток от 40 до 50 нейтронов в секунду через сечение 1 см 2 , мощность 3 МЭВ, рентгеновское излучение от 0,9 до 1 мкР/сек при энергии излучения 0,3-0,4 МЭВ, образовывался гелий, тепловыделения. По совокупности наблюдаемых явлений можно заключить, что идут ядерные реакции. В данном конкретном случае диаметр отверстия в дроссельном устройстве был 1,2 мм, длина канала 25 мм, перепад на дроссельном устройстве 40-50 МПа, а расход жидкости через дроссельное устройство 180-200 г/сек. На единицу затраченной мощности выделялось 20 единиц полезной/в виде излучений и тепловыделений. По моему мнению, реакция ядерного синтеза возникает так: Поток жидкости движется по каналу. При приближении атомов дейтерия к заряду, под его воздействием они теряют электроны со своих орбит». Ядра дейтерия, заряженные положительно, под воздействием поля этого заряда отталкиваются в центр отверстия и удерживаются полем кольцевого положительного заряда. Концентрация ядер становится достаточной для того, чтобы происходили их столкновения, а импульс энергии, полученный от положительного заряда, настолько большой, что преодолевается Кулоновский барьер. Ядра сближаются, вступают во взаимодействия, идут ядерные реакции.
- В лаборатории «Энергетика и технология структурных переходов» к.т.н. А. В. Вачаев под руководством д.т.н. Н. И. Иванова с 1994 года исследовал возможность обеззараживания стоков производств путем воздействия на них интенсивного плазменного образования. Он работал с веществом в разных агрегатных состояниях. Выявлено полное обеззараживание стоков и обнаружены побочные эффекты. Наиболее удачная силовая установка давала стабильный плазменный факел – плазмоид, при пропускании через который дистиллированной воды в большом количестве образовывалась суспензия металлических порошков, происхождение которых иначе, как процессом холодной ядерной трансмутации объяснить было невозможно. В течение ряда лет новое явление стабильно воспроизводилось при различных модификациях установки, в разных растворах, процесс демонстрировался авторитетным комиссиям из Челябинска и Москвы, раздавались образцы получаемых осадков.
- Молодой физик И.С. Филимоненко создал гидролизную энергетическую
установку, предназначенную для получения энергии от реакций
«теплого» ядерного синтеза, идущих при температуре всего 1150 °C
. Топливом для реактора служила тяжелая вода. Реактор
представлял собой металлическую трубу диаметром 41 мм и длиной
700 мм, изготовленную из сплава, содержавшего несколько граммов
палладия.
Эта установка появилась на свет в результате исследований, проводившихся в 50-х годах в СССР в рамках государственной программы научно-технического прогресса. В 1989 г. было принято решение воссоздать в подмосковном НПО «Луч» 3 термоэмиссионные гидролизные энергетические установки мощностью по 12.5 кВт каждая. Это решение было мгновенно претворено в жизнь под руководством И.С. Филимоненко. Все три установки были подготовлены к сдаче в опытную эксплуатацию в 1990 г. При этом на каждый киловатт, вырабатываемый энергетическими установками теплого синтеза, приходилось всего 0.7 грамма палладия, на котором, как выяснилось позже, свет клином не сошелся.
- Эффект аномального увеличения выхода нейтронов неоднократно наблюдался в опытах по колке дейтериевого льда. В 1986 году академик Б.В. Дерягин с сотрудниками опубликовал статью, в которой были приведены результаты серии экспериментов по разрушению мишеней из тяжелого льда с помощью металлического бойка. В этой работе сообщалось, что при выстреле в мишень из тяжелого льда D 2 O при начальной скорости бойка 100, 200 - м/с регистрировалось 0.4, 0.08 - отсчета нейтронов соответственно. При выстреле в мишень из обычного льда H 2 O регистрировалось всего 0.15 0.06 - отсчета нейтронов. Указанные значения были приведены с учетом поправок, связанных с наличием фонового потока нейтронов.
- Ажиотажный взрыв интереса к обсуждаемой проблеме возник только после того, как М. Флейшман и С. Понс на пресс-конференции 23 марта 1989 года сообщили об обнаружении ими нового явления в науке, известного сейчас как холодный ядерный синтез (или синтез при комнатной температуре). Они электролитическим путем насыщали палладий дейтерием (попросту, воспроизвели результаты серии работ И.С. Филимоненко, доступ к которым имел С. Понс) - проводили электролиз в тяжелой воде с палладиевым катодом. При этом наблюдалось выделение избыточного тепла, рождение нейтронов, а также образование трития. В том же году было сообщение об аналогичных результатах, полученных в работе С. Джонса, Е. Палмера, Дж. Цирра и др.
- Эксперименты И.Б. Савватимовой
- Эксперименты Йосиаки Араты. На глазах у изумленной публики было продемонстрировано выделение энергии и образование гелия, не предусмотренные известными законами физики. В эксперименте Араты - Чжан в специальную ячейку был помещен размолотый до размеров 50 ангстрем порошок, состоящий из палладиевых нанокластеров, диспергированных внутри ZrO 2 – матрицы. Исходный материал был получен посредством отжига аморфного сплава палладия с цирконием Zr 65 Pd 35 . После этого в ячейку под высоким давлением был закачан газообразный дейтерий.
Заключение
В заключение можно сказать:
Чем больше объем области где протекает ядерный синтез (при равной плотности исходного вещества), тем больше энергозатраты на его инициацию и соответственно больше энергетический выход. Не говоря уже о финансовых затратах, которые тоже пропорциональны размерам рабочей области.
Это характерно для «Горячего» термояда. Разработчики планируют получать с его помощью сотни мегаватт мощности.
В то же время существует малозатратный (во всех перечисленных выше направлениях) путь. Его имя L ERN.
Он использует возможности достижения необходимых для ядерного синтеза условий в микрообъемах и получение небольших, но достаточных для удовлетворения многих нужд мощностей (до мегаватта). В некоторых случаях возможно прямое преобразование энергии в электрическую. Правда, последнее время, такие мощности часто просто не интересуют энергетиков, градирни которых отправляют в атмосферу много большие мощности.
Пока нерешенной проблемой «горячего» и некоторых вариантов «холодного» ядерного синтеза остается проблема удаления продуктов распада из рабочей области. Что необходимо, поскольку они снижают концентрацию участвующих в ядерном синтезе исходных веществ. Что приводит к нарушению критерия Лоусона в «горячем» ядерном синтезе и «погасанию» реакции синтеза. В «холодном» ядерном синтезе, в случае циркуляции исходного вещества этого не происходит.
Литература:
| № пп | Данные статьи | Ссылка |
| 1 | Токамак, | http://ru.wikipedia.org/wiki/Токамак |
| 2 | I-07.pdf * | |
| 6 | ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБНАРУЖЕНИЕ "СТРАННОГО" ИЗЛУЧЕНИЯ И ТРАНСФОРМАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ, Л.И. Уруцкоев*, В.И. Ликсонов*, В.Г. Циноев** "РЭКОМ" РНЦ "Курчатовский институт", 28 марта 2000 г | http://jre.cplire.ru/jre/mar00/4/text.html |
| 7 | Трансмутация вещества по Вачаеву - Гриневу | http://rulev-igor.narod.ru/theme_171.html |
| 8 | О ПРОЯВЛЕНИЯХ РЕАКЦИИ ХОЛОДНОГО ЯДЕРНОГО СИНТЕЗА В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ. Михаил Карпов | http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/8767.html |
| 9 | Ядерная физика в Интернете, Магические числа, глава из «Экзотические ядра» Б.С. Ишханов, Э.И. Кэбин | http://nuclphys.sinp.msu.ru/exotic/e08.html |
| 10 | Демонстрационная методика синтеза элементов из воды в плазме электрического разряда, Паньков В.А., к.т.н.; Кузьмин Б.П., к.т.н. Институт металлургии Уральского отделения РАН | http://model.susu.ru/transmutation/20090203.htm |
| 11 | Метод А.В. Вачаева – Н.И. Иванова | http://model.susu.ru/transmutation/0004.htm |
| 12 |
Cтраница 1
Реакции ядерного синтеза называют термоядерными ввиду единственного способа возбуждения реакций - нагревания ядерного горючего до высокой температуры.
Реакция ядерного синтеза также может служить источником энергии.
Для осуществления реакций ядерного синтеза требуются чрезвычайно высокие температуры и давления.
Легче всего в реакцию ядерного синтеза вступает водород-3, однако он присутствует в земной атмосфере в столь малых коли-чествах а его получение сопряжено с очень большими затратами, что под вопросом оказывается сама целесообразность его использования в качестве топлива.
Эта реакция называется реакцией ядерного синтеза, поскольку в результате объединения ядер образуется более тяжелое ядро.
Для того чтобы началась реакция ядерного синтеза, необходимо достичь температуры порядка миллиона градусов. Поскольку единственным известным в настоящее время средством достижения таких температур являются реакции ядерного деления, для возбуждения реакции водородного синтеза используется атомная бомба, основанная на реакции деления. Предполагается, что энергия, выделяемая звездами и в их числе нашим Солнцем, образуется в результате реакций ядерного синтеза, аналогичных указанным выше реакциям. В зависимости от возраста и температуры звезды в таких реакциях могут принимать участие ядра углерода, кислорода и азота, а также изотопы водорода и гелия.
Основная проблема, связанная с реакцией ядерного синтеза, состоит в разработке технологии, способной удерживать газ заряженных частиц, плазму при температуре порядка многих миллионов градусов в течение довольно длительного времени для того, чтобы высвободить нужное количество энергии, в то время как плазма находится в изолированном состоянии. Известны два способа, с помощью которых управляют этим процессом: метод магнитных полей и метод удерживания атомов тяжелого водорода с помощью мощных лазеров. Этот метод представляет собой наиболее легкий путь осуществления ядерного синтеза, в котором участвуют дейтерий и тритий и который протекает в удерживаемой с помощью магнитных полей плазме при температуре более 100 млн. С. Конечными продуктами реакции синтеза являются ионы гелия (Не-4) и нейтроны. Около 80 % высвобождаемой в результате синтеза энергии приходится на нейтроны. Системы переноса тепла и преобразования в тепло, которые являются следующей ступенью, аналогичны используемым в ядерных реакторах деления.
Научиться вырабатывать полезную энергию за счет реакции ядерного синтеза важно прежде всего потому, что термоядерный синтез представляет собой практически неисчерпаемый источник энергии. Стоимость термо-ядерного топлива мала по сравнению со стоимостью ископаемых видов топлива; оно доступно всюду, а процесс его получения лишь в незначительной степени влияет на окружающую среду. Далее, хотя термоядерная энергия тоже является одним из видов атомной энергии, она существенно отличается от жобычной атомной энергии, которая выделяется при расщеплении урана, плутония, тория. По сравнению с реакторами ядерного деления и порождаемыми ими опасностями термоядерный реактор представляется гораздо менее опасным.
Скорость выделения энергии в результате всех реакций ядерного синтеза, происходящих за каждую секунду, оказывается поразительно малой величиной, если ее выразить в калориях на один грамм вещества. Она будет более, чем в 100 раз, меньше величины скорости, с которой человеческий организм за одну секунду выделяет тепло в процессе своего обмена веществ. Конечно, общее количество тепла, выделяемого Солнцем, не идет ни в какое сравнение с теплом нашего тела благодаря чрезвычайно огромной величине общей массы Солнца. Но напрашивается вопрос, как Солнце может быть таким горячим, если в нем скорость выделения тепла одним граммом массы в 100 раз меньше, чем в нашем организме.
Принято считать, что получение энергии при помощи реакции ядерного синтеза должно вызывать меньшее загрязнение окружающей среды, чем при помощи реакции ядерного деления. Однако следует учесть, что конструкционные материалы для внутренних частей термоядерного реактора должны становиться очень сильно радиоактивными и их часто придется заменять. В чем причина этих осложнений.
Распространенность элемента связана с устойчивостью его ядра и ходом реакций ядерного синтеза элементов. В соответствии с этим существуют приближенные правила, определяющие распространенность элемента. Так замечено, что элементы с малыми атомными массами более распространены, чем тяжелые элементы. Далее, атомные массы наиболее распространенных элементов выражаются числами, кратными четырем; элементы с четными порядковыми номерами распространены в несколько раз больше, чем соседние с ними нечетные элементы.
Поистине необъятные перспективы развития энергетической основы производства сулит обществу овладение контролируемой реакцией ядерного синтеза. Решение проблемы управления термоядерными реакциями стоит в повестке дня советской науки. К числу ее задач относится открытие способов прямого преобразования тепловой, ядерной, солнечной и химической энергии в электрическую.
Если протонам удастся сблизиться до расстояний г г0, то происходит реакция ядерного синтеза, нуклоны образуют связанную систему - ядро атома дейтерия. Связанному состоянию соответствует модель частицы в потенциальной яме. Но такому сближению частиц препятствует потенциальный барьер. Для выяснения возможности реакции требуется решить задачу о прохождении частиц через барьер при различных энергиях.
Литий является источником тяжелого изотопа водорода - трития, который используется в реакциях ядерного синтеза.
– это процесс, в ходе которого два атомных ядра объединяются, формируя тяжелее ядро. Обычно этот процесс сопровождается выделением энергии. Ядерный синтез является источником энергии в звездах и водородной бомбе.Для сближения атомных ядер на расстояние, достаточное для того, чтобы произошла ядерная реакция, даже для самого легкого элемента, водорода, нужна очень значительное количество энергии. Но, в случае легких ядер, в результате объединения двух ядер с образованием более тяжелого ядра выделяется значительно больше энергии, чем уходит на преодоление кулоновского отталкивания между ними. Благодаря этому ядерный синтез – очень перспективный источник энергии и является одним из основных направлений исследования современной науки.
Количество энергии, выделяемой в большинстве ядерных реакций намного больше, чем в химических реакциях, так как энергия связи нуклонов в ядре значительно больше, чем энергии связи электронов в атоме. Например, энергия ионизации, которая получается при связывании электрона с протоном с образованием атома водорода, составляет 13.6 электрон-вольт – меньше, чем одну миллионную от 17 МэВ, выделяющиеся при реакции дейтерия с тритием, которая описана ниже.
В атомном ядре действуют два типа взаимодействия: сильное взаимодействие, удерживающее протоны и нейтроны вместе и значительно слабее электростатическое отталкивание между одинаково заряженными протонами ядра, пытается разорвать ядро. Сильное взаимодействие проявляется лишь на очень коротких расстояниях между протонами и нейтронами, непосредственно граничащих друг с другом. Это также означает, что протоны и нейтроны на поверхности ядра содержатся слабее, чем протоны и нейтроны внутри ядра. Сила электростатического отталкивания взамен действует на любых расстояниях и является обратно пропорциональной квадрату расстояния между зарядами, то есть каждый протон в ядре взаимодействует с каждым другим протоном в ядре. Это приводит к тому, что с увеличением размера ядра силы, удерживающие ядро возрастают до определенного атомного номера (атом железа), а затем начинают ослабевать. Начиная с урана энергия связи становится отрицательной и ядра тяжелых элементов становятся нестабильными.
Таким образом для осуществления реакции ядерного синтеза необходимо затратить определенную энергию на преодоление силы электростатического отталкивания между двумя атомными ядрами и свести их на расстояние, где начинает проявляться сильное взаимодействие. Энергия, необходимая для преодоления силы электростатического отталкивания, называется кулоновским барьером (Coulomb barrier).
Кулоновский барьер низкий для изотопов водорода, поскольку они имеют в ядре только один протон. Для DT смеси результирующий энергетический барьер составляет 0.1 МэВ. Для сравнения, чтобы убрать электрон с атома водорода требуется всего 13 эВ, что в 7500 раз меньше. Когда реакция синтеза завершается, новое ядро переходит на более низкий энергетический уровень и выделяет дополнительную энергию, излучая нейтрон с энергией 17.59 MeV, что существенно больше, чем нужно для запуска реакции. То есть реакция DT синтеза очень экзотермической и является источником энергии.
Если ядра является частью плазмы вблизи состояния теплового равновесия, реакция синтеза называется термоядерным синтезом. Поскольку температура является мерой средней кинетической энергии частиц, нагрев плазму можно предоставить ядрам достану энергию для преодоления барьера в 0.1 MэВ. Переведя эВ в Кельвина получим температуру свыше 1 ГК, что является чрезвычайно высокой температурой.
Есть однако два явления, которые позволяют снизить требуемую температуру реакции. Во-первых, температура отражающий среднюю кинетическую энергию, т.е. даже при низких температурах, чем эквивалент 0.1 МэВ, часть ядер будет иметь энергию существенно выше 0.1 МэВ, остальные будут иметь энергию существенно ниже. Во-вторых, следует учесть явление квантового туннелирования, когда ядра преодолевают барьер Кулона, имея недостаточно энергии. Это позволяет получить (медленные) реакции синтеза при низких температурах.
Важным для понимания реакции синтеза является понятие поперечного сечения реакции?: меры вероятности реакции синтеза как функции относительной скорости двух взаимодействующих ядер. Для термоядерной реакции синтеза удобнее рассматривать среднее значение распределения произведения поперечного сечения на скорость ядра . Используя его, можно записать скорость реакции (слияние ядер на объем на время) как
Где n
1 и n
2 это плотность реагентов. возрастает от нуля при комнатной температуре до значительной величины уже при температурах }