Tot ce trebuie să știi despre fuziunea nucleară

Reacții nucleare între nucleele atomice ușoare care au loc la foarte temperaturi ridicate(10 7 10 8 K) se numesc reacții termonucleare. În aceste reacții, nucleele care se confruntă cu repulsie coulombiană reciprocă reușesc, după ce au depășit bariera electrostatică corespunzătoare (Fig. 1), se apropie de o distanță de ordinul razei de acțiune a forțelor de atracție nucleare și, după ce au căzut în potențialul profund bine format de către aceștia, efectuează una sau alta restructurare nucleară exoenergetică (adică însoțită de eliberarea de energie). Prin „eliberare de energie” înțelegem eliberarea de energie cinetică în exces în produșii de reacție, egală cu creșterea energiei totale de legare. Astfel, nucleele relativ libere sunt rearanjate în altele mai strâns legate și, deoarece nucleele cu cea mai mare energie de legare per nucleon sunt situate în partea de mijloc a tabelului periodic Mendeleev, cel mai tipic mecanism al unei reacții exoenergetice este fuziune(sinteza) celor mai usoare nuclee in altele mai grele. Deși există și reacții exoenergetice de fisiune a nucleelor ​​ușoare. Datorită puterii speciale a nucleului 4 He, de exemplu, reacția este posibilă

Procesele descrise mai sus se numesc reacții de fuziune nucleară (NS).

Conform mecanismului de depășire a barierei coulombiane, reacțiile nucleare pot fi împărțite în două clase principale: A – reacții cu o barieră nedistorsionată, necesitând pentru apariția lor o energie relativă suficient de mare a nucleelor ​​care se ciocnesc, care le este conferită ca urmare a accelerare sau încălzire puternică; B – reacții ale așa-numitei fuziuni la rece, care devin posibile ca urmare a unei distorsiuni puternice a barierei în sine - în primul rând, îngustarea acesteia, datorită „decupării” părții exterioare, cea mai largă.

Reacțiile de clasă A pot fi realizate fie într-un accelerator, fie în plasma de temperatură înaltă a interioarelor stelare, o explozie nucleară, o descărcare puternică de gaze sau în plasma unei substanțe încălzite de un puls gigant de radiație laser, bombardament cu un fascicul intens de particule etc.

Reacțiile de tip B sunt o consecință a unor fenomene precum:

Interesul durabil pentru reacțiile nucleare și, în primul rând, pentru reacțiile termonucleare, se datorează faptului că acestea sunt:

– sursa principală a Soarelui și a stelelor, precum și mecanismul proceselor de sinteză prestelară și stelară nuclee atomice elemente chimice;

– una dintre fundamentele fizice ale unei explozii nucleare și ale armelor (termo-)nucleare;

– baza fuziunii termonucleare controlate (CTF), o direcție promițătoare din punct de vedere economic și ecologic în sectorul energetic al viitorului.

Tabelul 1 enumeră o serie de reacții care sunt de interes pentru CTS.

Tabelul 1

Reacții exoenergetice între nucleele ușoare

		Eliberare de energie	(în regiunea energetică	Energia particulelor incidente, resp.
			, MeV
			0,16 la 2 MeV

0,69 la 1,2 MeV – P proton, d – deuteron (nucleu de deuteriu 2 H), t – triton (nucleu de tritiu 3 H), n - neutroni, + e

- pozitron, ν – nittrino, γ – foton. Distribuția energiei între produșii de reacție este de obicei invers proporțională cu masele acestora. Când se analizează rezultatele, trebuie să se țină cont de faptul că secțiunea transversală σ a oricărei reacții este, aproximativ vorbind, produsul secțiunii transversale pentru trecerea prin bariera Coulomb și probabilitatea transformării nucleare ulterioare. Primul factor, „Coulomb”, este, prin natura sa, universal pentru toate reacțiile termonucleare. Înălțimea barierei δ

E unde și sunt încărcăturile nucleare și R Când se analizează rezultatele, trebuie să se țină cont de faptul că secțiunea transversală σ a oricărei reacții este, aproximativ vorbind, produsul secțiunii transversale pentru trecerea prin bariera Coulomb și probabilitatea transformării nucleare ulterioare. Primul factor, „Coulomb”, este, prin natura sa, universal pentru toate reacțiile termonucleare. Înălțimea barierei– suma „razelor” acestora. Chiar și pentru combinații de nuclee cu cel mai mic, de exemplu, este de 200 keV. Energia medie a particulelor pentru plasma interioarelor stelare sau direcțiile moderne ale CTS, unde cele mai tipice temperaturi sunt (10 7  10 8) K, este de aproximativ (1  10) keV. În consecință, depășirea unei potențiale bariere este, de regulă, de natura unui tunel și, în plus, adânc sub barieră, trecere. Probabilitatea tunelului când energie relativă

nucleele care se ciocnesc mult mai mici decât înălțimea barierei (), pot fi descrise prin forma limitativă a exponențialului cunoscut și anume:

unde este viteza relativă a nucleelor,

– masa lor redusă.

Al doilea factor, „nuclear”, care determină ordinea de bază a secțiunii transversale a unei reacții termonucleare, este specific fiecărei reacții specifice. Astfel, pentru reacțiile cu formarea celui mai puternic nucleu 4 He legat, acesta este mare și depinde de obicei rezonant de energie. Acest lucru se aplică, de exemplu, reacțiilor 7 și 10, care sunt cele mai importante pentru CTS, și uneia dintre reacțiile „pure” promițătoare ipotetic, adică fără reacții cu neutroni – reacția 20. Pentru reacțiile cauzate de interacțiuni slabe, este extrem de mic. De exemplu, reacția 1, fundamentală pentru eliberarea de energie a Soarelui, nu a fost observată deloc direct (în laborator). – triton (nucleu de tritiu 3 H), 1 , – triton (nucleu de tritiu 3 H), 2 – concentrații de sâmburi de gradele 1 și 2; Parantezele unghiulare indică media asupra distribuției vitezelor relative, care ulterior se presupune că este Maxwelliană. În zona temperaturilor „nu foarte ridicate”. T ≤ (10 7 ÷10 8) K și în absența rezonanței poate fi exprimat aproximativ într-o formă care este universală pentru toate reacțiile nerezonante:

unde este o caracteristică constantă a unei reacții date. Această formulă este valabilă numai pentru valori mari (1) ale exponentului. Dependența de temperatură rezultată în sine este destul de puternică, dar încă nu la fel de puternică ca, de exemplu, dependența tipică de temperatură a vitezei reacțiilor chimice.

Oamenii de știință de la Princeton Plasma Physics Laboratory au propus ideea celui mai lung dispozitiv de fuziune nucleară care poate funcționa mai mult de 60 de ani. ÎN în acest moment Aceasta este o sarcină dificilă: oamenii de știință se luptă să facă un reactor termonuclear să funcționeze câteva minute - și apoi ani. În ciuda complexității, construcția unui reactor termonuclear este una dintre cele mai promițătoare sarcini din știință, care poate aduce beneficii enorme. Vă spunem ce trebuie să știți despre fuziunea termonucleară.

1. Ce este fuziunea termonucleară?

Nu vă lăsați intimidați de această frază greoaie, de fapt este destul de simplă. Fuziunea este un tip de reacție nucleară.

În timpul unei reacții nucleare, nucleul unui atom interacționează fie cu o particulă elementară, fie cu nucleul altui atom, datorită căruia compoziția și structura nucleului se modifică. Un nucleu atomic greu se poate descompune în două sau trei nuclee mai ușoare - aceasta este o reacție de fisiune. Există, de asemenea, o reacție de fuziune: aceasta este atunci când două nuclee atomice ușoare se contopesc într-unul greu.

Spre deosebire de fisiunea nucleară, care poate avea loc fie spontan, fie forțat, fuziunea nucleară este imposibilă fără furnizarea de energie externă. După cum știți, contrariile se atrag, dar nucleele atomice sunt încărcate pozitiv - așa că se resping reciproc. Această situație se numește bariera Coulomb. Pentru a depăși repulsia, aceste particule trebuie accelerate la viteze nebunești. Acest lucru se poate face la temperaturi foarte ridicate - de ordinul a câteva milioane de Kelvin. Aceste reacții sunt numite termonucleare.

2. De ce avem nevoie de fuziune termonucleară?

În timpul reacțiilor nucleare și termonucleare, se eliberează o cantitate imensă de energie, care poate fi utilizată în diverse scopuri - puteți crea cea mai puternică armă, sau puteți transforma energia nucleară în electricitate și o furnizați întregii lumi. Energia de dezintegrare nucleară a fost folosită de mult timp centrale nucleare. Dar energia termonucleară pare mai promițătoare. Într-o reacție termonucleară se eliberează mult mai multă energie pentru fiecare nucleon (așa-numitele nuclee constitutive, protoni și neutroni) decât într-o reacție nucleară. De exemplu, când fisiunea unui nucleu de uraniu într-un nucleon produce 0,9 MeV (megaelectronvolt), iar cândÎn timpul fuziunii nucleelor ​​de heliu, din nucleele de hidrogen este eliberată energie egală cu 6 MeV. Prin urmare, oamenii de știință învață să efectueze reacții termonucleare.

Cercetarea fuziunii termonucleare și construcția reactorului fac posibilă extinderea producției de înaltă tehnologie, care este utilă în alte domenii ale științei și high-tech.

3. Ce sunt reacțiile termonucleare?

Reacțiile termonucleare sunt împărțite în auto-susținere, necontrolate (folosite în bombele cu hidrogen) și controlate (potrivite în scopuri pașnice).

Reacțiile de auto-susținere au loc în interiorul stelelor. Cu toate acestea, nu există condiții pe Pământ pentru ca astfel de reacții să aibă loc.

Oamenii desfășoară o fuziune termonucleară necontrolată sau explozivă de mult timp. În 1952, în timpul Operațiunii Ivy Mike, americanii au detonat primul dispozitiv exploziv termonuclear din lume, care nu avea nicio valoare practică ca armă. Și în octombrie 1961, a fost testată prima bombă termonucleară (hidrogen) din lume („Țarul Bomba”, „Mama lui Kuzka”), dezvoltată de oamenii de știință sovietici sub conducerea lui Igor Kurchatov. A fost cel mai puternic dispozitiv exploziv din întreaga istorie a omenirii: energia totală a exploziei, conform diverselor surse, a variat între 57 și 58,6 megatone de TNT. Pentru a detona o bombă cu hidrogen, este necesar să se obțină mai întâi o temperatură ridicată în timpul unei explozii nucleare convenționale - abia atunci nucleele atomice vor începe să reacționeze.

Puterea unei explozii în timpul unei reacții nucleare necontrolate este foarte mare și, în plus, proporția de contaminare radioactivă este mare. Prin urmare, pentru a utiliza energia termonucleară în scopuri pașnice, este necesar să învățați cum să o controlați.

4. Ce este necesar pentru o reacție termonucleară controlată?

Țineți plasma!

Nu este clar? Să explicăm acum.

În primul rând, nucleele atomice. În energia nucleară se folosesc izotopi - atomi care diferă între ei prin numărul de neutroni și, în consecință, prin masa atomică. Izotopul hidrogenului deuteriu (D) se obține din apă. Hidrogenul supergreu sau tritiu (T) este un izotop radioactiv al hidrogenului care este un produs secundar al reacțiilor de descompunere efectuate în reactoarele nucleare convenționale. Tot în reacțiile termonucleare se folosește un izotop ușor de hidrogen - protium: acesta este singurul element stabil care nu are neutroni în nucleu. Heliul-3 se găsește pe Pământ în cantități neglijabile, dar există mult în solul lunar (regolit): în anii 80, NASA a dezvoltat un plan pentru instalații ipotetice pentru procesarea regolitului și eliberarea unui izotop valoros. Dar un alt izotop este răspândit pe planeta noastră - bor-11. 80% din bor de pe Pământ este un izotop necesar pentru oamenii de știință nucleari.

În al doilea rând, temperatura este foarte ridicată. Substanța care participă la reacția termonucleară trebuie să fie o plasmă aproape complet ionizată - acesta este un gaz în care electronii liberi și ionii cu sarcini diferite plutesc separat. Pentru a transforma o substanță în plasmă, este necesară o temperatură de 10 7 – 10 8 K - adică sute de milioane de grade Celsius! Astfel de temperaturi ultra-înalte pot fi atinse prin crearea de descărcări electrice de mare putere în plasmă.

Cu toate acestea, nu puteți încălzi pur și simplu elementele chimice necesare. Orice reactor se va evapora instantaneu la asemenea temperaturi. Acest lucru necesită o abordare complet diferită. Astăzi este posibil să se conțină plasmă într-o zonă limitată folosind magneți electrici ultra-puternici. Dar nu a fost încă posibil să se utilizeze pe deplin energia obținută ca urmare a unei reacții termonucleare: chiar și sub influența unui câmp magnetic, plasma se răspândește în spațiu.

5. Care reacții sunt cele mai promițătoare?

Principalele reacții nucleare planificate a fi utilizate pentru fuziunea controlată vor folosi deuteriu (2H) și tritiu (3H), iar pe termen mai lung heliu-3 (3He) și bor-11 (11B).

Iată cum arată cele mai interesante reacții.

1) 2 D+ 3 T -> 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV) - reacția deuteriu-tritiu.

2) 2 D+ 2 D -> 3 T (1,01 MeV) + p (3,02 MeV) 50%

2 D+ 2 D -> 3 He (0,82 MeV) + n (2,45 MeV) 50% - acesta este așa-numitul monopropulsor de deuteriu.

Reacțiile 1 și 2 sunt pline de contaminare radioactivă cu neutroni. Prin urmare, reacțiile „fără neutroni” sunt cele mai promițătoare.

3) 2 D+ 3 He -> 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV) - deuteriul reacţionează cu heliul-3. Problema este că heliul-3 este extrem de rar. Cu toate acestea, randamentul fără neutroni face ca această reacție să fie promițătoare.

4) p+ 11 B -> 3 4 He + 8,7 MeV - bor-11 reacţionează cu protiul, rezultând particule alfa care pot fi absorbite de folia de aluminiu.

6. Unde să efectueze o astfel de reacție?

Un reactor termonuclear natural este o stea. În ea, plasma este ținută sub influența gravitației, iar radiația este absorbită - astfel, miezul nu se răcește.

Pe Pământ, reacțiile termonucleare pot fi efectuate doar în instalații speciale.

Sisteme cu impulsuri. În astfel de sisteme, deuteriul și tritiul sunt iradiate cu fascicule laser ultra-puternice sau cu fascicule de electroni/ioni. O astfel de iradiere provoacă o succesiune de microexplozii termonucleare. Cu toate acestea, astfel de sisteme sunt neprofitabile de utilizat la scară industrială: se cheltuiește mult mai multă energie pentru accelerarea atomilor decât se obține ca urmare a fuziunii, deoarece nu toți atomii accelerați reacţionează. Prin urmare, multe țări construiesc sisteme cvasi-staționare.

Sisteme cvasi-staționare. În astfel de reactoare, plasma este limitată de un câmp magnetic la presiune scăzută și temperatură ridicată. Există trei tipuri de reactoare bazate pe diferite configurații de câmp magnetic. Acestea sunt tokamak-uri, stellaratori (torsatrons) și capcane cu oglindă.

Tokamak reprezintă „camera toroidală cu bobine magnetice”. Aceasta este o cameră în formă de „goasă” (torus) pe care sunt înfășurate bobine. Caracteristica principală tokamak este utilizarea variabilei curent electric, care curge prin plasmă, o încălzește și, creând un câmp magnetic în jurul său, o ține.

ÎN stellarator (torsatron) câmpul magnetic este complet conținut de bobine magnetice și, spre deosebire de un tokamak, poate fi acționat continuu.

În z oglindă (deschisă) capcane Se folosește principiul reflexiei. Camera este închisă pe ambele părți prin „dopuri” magnetice care reflectă plasma, menținând-o în reactor.

Multă vreme, capcanele cu oglindă și tokamak-urile au luptat pentru primat. Inițial, conceptul de capcană părea mai simplu și, prin urmare, mai ieftin. La începutul anilor ’60, capcanele deschise au fost foarte finanțate, dar instabilitatea plasmei și încercările nereușite de a o reține câmp magnetic forțat să complice aceste instalații - structuri aparent simple transformate în mașini infernale și a fost imposibil să se obțină un rezultat stabil. Prin urmare, în anii 80, tokamak-urile au ieșit în prim-plan. În 1984, a fost lansat tokamak-ul european JET, care a costat doar 180 de milioane de dolari și ai cărui parametri au permis o reacție termonucleară. În URSS și Franța, au fost proiectate tokamak-uri supraconductoare, care nu consumau aproape deloc energie pentru funcționarea sistemului magnetic.

7. Cine învață acum să efectueze reacții termonucleare?

Multe țări își construiesc termopane reactoare nucleare. Kazahstan, China, SUA și Japonia au propriile lor reactoare experimentale. Institutul Kurchatov lucrează la reactorul IGNITOR. Germania a lansat reactorul stellarator de fuziune Wendelstein 7-X.

Cel mai faimos este proiectul internațional tokamak ITER (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) de la centrul de cercetare Cadarache (Franța). Construcția sa ar fi trebuit să fie finalizată în 2016, dar volumul sprijinului financiar necesar a crescut, iar momentul experimentelor s-a mutat în 2025. Uniunea Europeană, SUA, China, India, Japonia etc. participă la activitățile ITER. Coreea de Sud si Rusia.

8. UE ocupă ponderea principală în finanțare (45%), în timp ce restul participanților furnizează echipamente de înaltă tehnologie. În special, Rusia produce materiale și cabluri supraconductoare, tuburi radio pentru încălzirea plasmei (girotroni) și siguranțe pentru bobine supraconductoare, precum și componente pentru cea mai complexă parte a reactorului - primul perete, care trebuie să reziste forțelor electromagnetice, radiației neutronice și radiatii plasmatice.

De ce nu mai folosim reactoare de fuziune?

În prezent, una dintre cele mai mari realizări în domeniul fuziunii nucleare este succesul oamenilor de știință germani care au reușit să încălzească hidrogenul gazos la 80 de milioane de grade Celsius și să mențină un nor de plasmă de hidrogen timp de un sfert de secundă. Și în China, plasma de hidrogen a fost încălzită la 49,999 milioane de grade și menținută timp de 102 secunde.

Oamenii de știință ruși de la Institutul de Fizică Nucleară G.I Budker, Novosibirsk, au reușit să obțină o încălzire stabilă a plasmei la zece milioane de grade Celsius. Cu toate acestea, americanii au propus recent o modalitate de a reține plasma timp de 60 de ani - și acest lucru este încurajator.

9. În plus, există dezbateri cu privire la rentabilitatea fuziunii nucleare în industrie. Nu se știe dacă beneficiile generării de energie electrică vor acoperi costurile fuziunii nucleare. Se propune experimentarea cu reacții (de exemplu, abandonarea reacției tradiționale deuteriu-tritiu sau monopropulsant în favoarea altor reacții), materiale de construcție - sau chiar abandonarea ideii de fuziune termonucleară industrială, folosind-o numai pentru reacții individuale în fisiune. reactii. Cu toate acestea, oamenii de știință continuă experimentele.

Sunt reactoarele de fuziune sigure?

Relativ. Tritiul, care este folosit în reacțiile de fuziune, este radioactiv. În plus, neuronii eliberați ca rezultat al sintezei iradiază structura reactorului. Elementele reactorului în sine devin acoperite cu praf radioactiv din cauza expunerii la plasmă. Cu toate acestea, un reactor de fuziune este mult mai sigur decât un reactor nuclear în ceea ce privește radiația. Substanțe radioactive

este relativ puțin în reactor. În plus, proiectarea reactorului în sine presupune că nu există „găuri” prin care radiația se poate scurge. Camera cu vid a reactorului trebuie să fie sigilată, altfel reactorul pur și simplu nu va putea funcționa. În timpul construcției reactoarelor termonucleare se folosesc materiale testate cu energia nucleară, iar în incintă se menține o presiune redusă.

Când vor apărea centralele termonucleare?

Oamenii de știință spun cel mai adesea ceva de genul „în 20 de ani vom rezolva toate problemele fundamentale”. Inginerii din industria nucleară vorbesc despre a doua jumătate a secolului XXI. Politicienii vorbesc despre o mare de energie curată pentru bănuți, fără să se deranjeze cu întâlnirile.

Cum caută oamenii de știință materia întunecată în adâncurile Pământului Cu sute de milioane de ani în urmă, minerale sub ar putea reține urme ale substanței misterioase. Tot ce mai rămâne este să ajungi la ei. Peste două duzini de laboratoare subterane împrăștiate în întreaga lume sunt ocupate în căutarea materiei întunecate.

Ce împiedică dezvoltarea pieței interne a tehnologiilor de radiație?

Oamenii de știință de la institutele SB RAS care au vizitat țările Asia de Sud-Est, a vorbit despre modul în care vânzătorii obișnuiți de pește de pe piețele locale, folosind „tehnologie” simplă chineză, și-au extins perioada de valabilitate a bunurilor lor.

Super-fabrica S-tau

În programul OTR „Big Science Great in Small”, directorul Institutului de Fizică Nucleară, numit după G. I. Budker SB RAS, academicianul Pavel Logachev a vorbit despre rolul în dezvoltarea cercetarea stiintifica joacă „Factory S-tau” și ceea ce îi explică numele.

Introducere 3

Capitolul I: Particule elementare și istorie

Puțină istorie 5

Structura atomică 6

Capitolul II: reacții termonucleare

Tipuri de reacții termonucleare 8

Reacția proton-proton 9

Ciclul carbon-azot 10

Capitolul III: energie solară

Reacții termonucleare la mai mult elemente grele 14

Primele experimente de utilizare a energiei solare 15

Transformarea energiei solare în căldură, muncă

și electricitate 15

Concluzia 18

Lista literaturii utilizate 19

INTRODUCERE

Nașterea energiei a avut loc în urmă cu câteva milioane de ani, când oamenii au învățat să folosească focul. Focul le dădea căldură și lumină, era o sursă de inspirație și optimism, o armă împotriva dușmanilor și a animalelor sălbatice, remediu, un asistent în agricultură, un conservant alimentar, un ajutor tehnologic etc.

Timp de mulți ani, focul a fost întreținut prin arderea surselor de energie vegetală (lemn, arbuști, stuf, iarbă, alge uscate etc.), apoi s-a descoperit că pentru întreținerea focului se poate folosi substanțe fosile: cărbune, petrol, șist. , turba.

A apărut minunatul mit despre Prometeu, care a dat foc oamenilor Grecia antică mult mai târziu decât în ​​multe părți ale lumii metode destul de sofisticate de tratare a incendiului, producerea și stingerea acestuia, conservarea focului și utilizare rațională combustibil.

Acum se știe că lemnul este energie solară acumulată prin fotosinteză. La arderea fiecărui kilogram de lemn uscat, se eliberează aproximativ 20.000 kJ de căldură, puterea calorică a cărbunelui brun este de aproximativ 13.000 kJ/kg, antracitul 25.000 kJ/kg, petrolul și produsele petroliere 42.000 kJ/kg și gaz natural 45.000 kJ/kg. Hidrogenul are cea mai mare putere calorică de 120.000 kJ/kg.

Omenirea are nevoie de energie, iar nevoia de ea crește în fiecare an. În același timp, rezervele de combustibili naturali tradiționali (petrol, cărbune, gaz etc.) sunt limitate. Există, de asemenea, rezerve finite de combustibil nuclear - uraniu și toriu, din care plutoniul poate fi obținut în reactoare de reproducere. Rezervele de combustibil termonuclear - hidrogenul - sunt practic inepuizabile, iar acum, în epoca „atomică”, oamenii de știință au reușit să controleze dezintegrarea nucleară a atomilor și să folosească energia mare eliberată în timpul acestui proces.

Aceste reacții se numesc termonucleare. Despre ele vom vorbi mai târziu. Numele în sine vorbește deja de la sine, deoarece cuvântul „termonuclear” provine de la termos, care înseamnă temperatură. Astfel, reacțiile termonucleare sunt reacții care au loc la temperaturi ridicate, când energia cinetică a atomilor joacă un rol semnificativ. După cum se va arăta mai târziu, energia eliberată în timpul reacțiilor termonucleare atinge valori colosale. Acum se știe în mod sigur că reacțiile termonucleare sunt principala sursă de energie în stele. În ele natura creează condițiile în care au loc aceste reacții. Exemple de bază de reacții termonucleare: lanțul proton-proton (pp -ciclul) și ciclul carbon-azot G. Boethe (CNO - ciclu). În ciclul pp, patru protoni formează un nucleu de heliu (în acest caz, doi protoni trebuie să se transforme în neutroni). O astfel de combinație de protoni într-un nucleu de heliu poate merge în diverse moduri, dar rezultatul este același. Energia eliberată în timpul unei reacții:

;

unde Dm este masa în exces a patru protoni față de masa unui nucleu de heliu:

E = (4*1,00727647 - 4,002603267)*931,5016 = 24,687 MeV per nucleu.

Această energie este o valoare destul de impresionantă, având în vedere că intensitatea lanțului pp în stele este foarte mare.

În ciclul CNO, nucleul atomului de carbon, cu un număr de masă de 12, este un catalizator, adică, ca urmare a mai multor reacții, nucleul de carbon captează secvenţial 4 protoni și, experimentând dezintegrare nucleară, devine din nou

C, emitând un nucleu He.

CAPITOL eu . PARTICELE ELEMENTARE ȘI ISTORIE

UN PICĂ ISTORIE

În 1926, Eddington și-a publicat cartea The Internal Constitution of the Stars. Structura internă stele"). Această carte a conturat cu brio ideile din acea vreme despre fundamente fizice procese care au loc în stele. Eddington însuși a adus o contribuție semnificativă la formarea acestor idei. Chiar și înaintea lui, era clar, în principiu, cum funcționează stelele. Cu toate acestea, nu se știa exact de unde provine energia care susține radiația stelelor.

Chiar și atunci era clar că materia stelară bogată în hidrogen ar putea fi sursa ideala energie. Oamenii de știință știau că atunci când hidrogenul se transformă în heliu, se eliberează atât de multă energie încât Soarele și alte stele pot străluci miliarde de ani. Astfel, era clar că dacă am înțelege condițiile în care are loc fuziunea atomilor de hidrogen, atunci s-ar găsi o sursă excelentă de energie stelară. Cu toate acestea, știința acelor ani era încă foarte departe de a putea transforma hidrogenul în heliu în condiții experimentale.

Astrofizicienii din acea vreme nu puteau decât să creadă că stelele erau reactoare nucleare gigantice. Într-adevăr, nu ar putea fi imaginat niciun alt proces care ar putea furniza energie Soarelui timp de miliarde de ani. Eddington și-a exprimat această opinie în mod constant. El a pornit de la numeroase și repetate măsurători ale luminozității stelelor, care au fost efectuate de astronomi observatori. Din păcate, fizicienii de atunci credeau că nucleele atomice din stele nu pot reacționa între ele.

Eddington a fost deja capabil să calculeze ce temperatură ar trebui să fie observată în adâncurile Soarelui. Conform calculelor sale, ar trebui să fie aproximativ 40 de milioane de grade. Această temperatură, la prima vedere, este foarte ridicată, dar oamenii de știință nucleari au crezut că nu este suficient pentru ca reacțiile nucleare să aibă loc. La această temperatură, atomii din regiunile interioare ale soarelui se mișcă unul față de celălalt la viteze de aproximativ 1000 de kilometri pe secundă. La temperaturi atât de ridicate, atomii de hidrogen își pierd deja electronii, iar protonii se mișcă deja liber în spațiu. Să ne imaginăm că doi protoni se ciocnesc unul de altul și, ca urmare a interacțiunii, se resping reciproc. La viteze de 1000 de kilometri pe secundă, protonii se pot apropia foarte aproape, dar sub influența repulsiei electrice se vor despărți înainte de a se putea combina într-un singur nucleu. După cum au arătat calculele, doar la temperaturi de peste 10 miliarde de grade particulele se mișcă cu astfel de viteze încât, în ciuda forțelor de repulsie electrică, ele se pot apropia una de cealaltă și se pot îmbina. Soarele, cu o temperatură de 40 de milioane de grade, le părea fizicienilor prea rece pentru ca transformarea hidrogenului în heliu să aibă loc în adâncurile sale. Cu toate acestea, Eddington era convins că numai energia nucleară poate suporta radiația stelelor și avea dreptate.

STRUCTURA ATOMICA

Tot ce ne inconjoara - stânci, și minerale, substanțe din atmosferă și mări, celule vegetale și animale, nebuloase de gaz și stele din Univers în toată diversitatea lor - toate acestea constau din 92 de cărămizi elementare - elemente chimice. Acest lucru a fost stabilit de știința secolului al XIX-lea, care a simplificat astfel imaginea lumii din jurul nostru. Experimentele arată că există 3 tipuri principale de particule elementare care alcătuiesc atomii: electroni, protoni și neutroni.

De exemplu, nucleul de hidrogen este format dintr-un proton, iar un electron se rotește în jurul lui.

Proton este o particulă încărcată pozitiv a cărei masă este

1.672*10 kg. Electron este o particulă încărcată negativ. Masa sa este cu trei ordine de mărime mai mică decât masa unui proton, iar sarcina unui electron este egală cu sarcina unui proton. Astfel, atomul în ansamblu este neutru. Electronul este reținut în atom de forțele de interacțiune Coulomb și, prin urmare, este reținut de nucleu. În următorul element - heliu, miezul este format diferit, există o altă particule nouă (mai precis două) - neutroni. Un neutron este o particulă care nu are sarcină (neutru). După cum vom afla mai târziu, este necesar în nucleu pentru conectarea protonilor în nucleu, deoarece protonii tind să se respingă unul pe altul. Întregul nucleu de heliu este format din doi protoni și doi neutroni, iar doi electroni se învârt în jurul nucleului. Toți atomii și nucleele sunt formate dintr-un anumit număr de protoni și neutroni. Câți protoni sunt în nucleu, același număr de electroni orbitează în jurul nucleului în învelișurile de electroni. Prin urmare, sarcina pozitivă a protonilor nucleului este exact compensată de sarcina negativă a electronilor. De fapt, situația este și mai simplă. Pentru a fi mai precis, atomii nu sunt formați din trei tipuri particule elementare: protoni, neutroni și electroni, dar numai două. În nucleele atomice, un neutron se poate transforma într-un proton și un electron, emitându-i pe acesta din urmă în afara nucleului (deoarece în timpul dezintegrarii unui neutron, energia excesului de masă a neutronului peste proton și electron se transformă în energie cinetică și este distribuite între ultimele două particule). Ultimul proces al fizicii se numește b-decay. Deoarece în timpul dezintegrarii b numărul de protoni din nucleu crește cu 1 și, în consecință, sarcina, atunci număr de serie nucleul crește și devine nucleul unui nou element. Apropo, multe dintre ultimele elemente ale tabelului periodic au fost sintetizate în acest fel. Dar să ne întoarcem la neutronul nostru. Dacă cumva, în timpul experimentului, se obține un neutron liber, atunci acesta este instabil și după 17,3 minute se descompune conform regulii de mai sus. Prin urmare, putem presupune că lumea din jurul nostru, în toată diversitatea ei, este construită numai din protoni și electroni. Este interesant de observat că proprietate chimică a unui atom determină sarcina nucleului. Acest lucru se explică, în primul rând, prin faptul că electronii dintr-un atom formează învelișuri de electroni în funcție de sarcina nucleului și ei (învelișurile) sunt cei care determină legături chimiceîn molecule. Prin urmare, nucleele cu numere de masă diferite, dar cu aceeași sarcină nucleară se numesc izotopi, deoarece au aceeași substanță chimică, dar diferite. proprietăți fizice. Deci, de exemplu, pe lângă hidrogenul obișnuit, există așa-numitul hidrogen greu. În nucleul acestui izotop, pe lângă un proton, există și un neutron. Acest izotop se numește deuteriu. Apare în cantități mici în natură. Cu toate acestea, numărul de izotopi pentru această substanță este limitat. Acest lucru se datorează faptului că protonii și neutronii din nucleu își creează propria structură unică, adică există unele subnivele care sunt umplute cu nucleoni (nucleonii sunt protoni și neutroni, adică cei din nucleu) și, dacă numărul unora ( protoni sau neutroni) este mai mare decât valoarea critică, atunci nucleul suferă o reacție nucleară. Elementele mai grele, cum ar fi fierul, au 26 de protoni și 30 de neutroni în nucleu. După cum puteți vedea, există mai mulți neutroni decât protoni. Chestia este că 26 de particule încărcate pozitiv, din cauza repulsiei Coulomb, tind să zboare în direcții diferite și sunt reținute de așa-numitele forțe nucleare. Aceste forțe sunt determinate de transformările reciproce ale nucleonilor din nucleu. Neutronul, în nucleu, emite o nouă particulă - p-mezonul și se transformă într-un proton, iar protonul captează această particulă, transformându-se într-un neutron. Așa are loc tranziția reciprocă a unei particule la alta și nucleul nu se dezintegrează. În nucleele ușoare, forțele de respingere nu sunt foarte puternice și un neutron este suficient pentru fiecare proton, dar în elementele mai grele este nevoie de un exces de neutroni pentru un nucleu stabil.
1.9. Reacții termonucleare.

Reacții termonucleare asupra Soarelui și stelelor. Ciclul hidrogenului. Ciclul carbonului. Nucleosinteza. Explozie termonucleară. Fuziune termonucleară controlată

Reacții termonucleare– reacții de fuziune (fuziune) a nucleelor ​​atomice ușoare în altele mai grele, care au loc la temperaturi foarte ridicate (mai mult de 10 8 LA). Reacțiile termonucleare sunt procesul de formare a nucleelor ​​dens împachetate din nuclee mai libere, mai ușoare. Acestea sunt reacții exoenergetice care apar odată cu eliberarea de energie cinetică în exces în produșii de reacție, egală cu creșterea energiei totale de legare.

Pentru toate reacțiile de fuziune nucleară, este necesar să se apropie nucleele de reacție de distanța razei de acțiune a forțelor nucleare. Pentru a face acest lucru, bariera electrostatică Coulomb a respingerii nucleare trebuie depășită. Figura 1.15 prezintă un grafic al energiei potențiale în funcție de distanța dintre nuclee.

Orez. 1.15. Energia potențială a interacțiunii internucleare în funcție de distanța dintre nuclee. Umbrirea arată „decuparea” barierei de repulsie la raza Bohr a muonului negativ din câmpul Coulomb al nucleului

Pentru a depăși bariera Coulomb, energia nucleelor ​​care se ciocnesc trebuie să fie de ~ 0,1 MeV. Mecanismele de depășire a barierei Coulomb sunt următoarele:

1. Bombardarea nucleelor ​​cu fascicul de deuteron este inutilă. Energia deuteronilor va fi cheltuită pentru ionizarea și excitarea electronilor din atomii țintă. Secțiunea transversală efectivă pentru interacțiunea deuteronilor cu electronii este σ e ~ 10 -16 cm 2, iar cu nucleele σ i ~ 10 -24 cm 2 σ e >> σ i.

2. Cataliza muonilor (teoretic posibilă, nu implementată experimental). Câmpul Coulomb al nucleului poate fi ecranat de un muon („electron greu” cu o durată de viață de 2,2,10 -6 secunde) pe o orbită Bohr. Dimensiunea atomului scade de 212 ori, deoarece . Se formează ioni mezomoleculari. D.H. μ . Reacție posibilă

3. „Sifonul” părții late exterioare a barierei Coulomb potențiale este prezentat prin umbrire (în Fig. 1.15). Se realizează prin forța gravitației, care creează o presiune colosală la o densitate a plasmei >> 10 4 g/cm 3 în stele.

4. Când o substanță este încălzită la temperatura nucleelor T R ~ 10 9 K, (1 eV corespunde la 11.000 K, 0,1 MeV = 10 5 eV ~ 10 9 K). Substanța la astfel de temperaturi formează plasmă la temperatură înaltă. Mecanismul este implementat în condiții terestre.

Exemple de reacții termonucleare:

1. Reacția sintezei izotopilor de hidrogen deuteron și triton cu formarea unui nucleu de heliu și a unui neutron:

Secțiune transversală de reacție σ ma x = 5 barn. Energia unui deuteron incident T proton,= 0,1 MeV. Eliberarea de energie per nucleon într-o reacție de fuziune termonucleară (MeV/nucleon) depășește eliberarea de energie per 1 nucleon în reacția de fisiune nucleară a uraniului-235 ( q treburile= 200/235 = 0,85 MeV/nucleon) de 4 ori.

2. Reacția de sinteză a doi deuteroni:

Primul canal de ieșire: secțiunea transversală de reacție σ ma x = 0,09 hambar, T d = 1 MeV.

Al 2-lea canal de ieșire: secțiune transversală de reacție σ ma x = 0,16 hambar, T d = 2 MeV.

Secțiuni transversale pentru reacții termonucleare la energii joase ( E
,

Unde OŞi ÎN permanent.

Vitezele reacțiilor termonucleare

Reacțiile termonucleare apar ca urmare a ciocnirilor de perechi între nuclee. Numărul de coliziuni per unitate de volum pe unitate de timp este

N 12 = – triton (nucleu de tritiu 3 H), 1 – triton (nucleu de tritiu 3 H), 2 v σ (v)> ,
Explozie termonucleară

O reacție termonucleară artificială se realizează în condiții terestre într-un mod necontrolat într-un dispozitiv termonuclear (hidrogen), unde o temperatură > 10 7 K este creată prin explozia unui detonator de plutoniu sau uraniu. Substanța deuteriu este hidrură de litiu. Timpul de expansiune este de microsecunde. Schema de reactie probabila

MeB, (1,94)

MeB. (1,97)
Neutronii pentru reacție (1,97) provin din fisiunea nucleară. Energia principală este eliberată în reacțiile (1.96) și (1.97), care formează un ciclu, susținându-se reciproc și lăsând neschimbat numărul de neutroni și nuclee de tritiu. Reacțiile (1.94) și (1.95) servesc ca sursă inițială de neutroni și nuclee de tritiu. Viteza de reacție (1,94) și (1,95) este de 100 de ori mai mică decât viteza reacțiilor (1,96) și (1,97).
Fuziune termonucleară controlată (CTF)

Fuziune termonucleară controlată– procesul de fuziune a nucleelor ​​atomice ușoare, care are loc cu eliberarea de energie la temperaturi ridicate în condiții reglate controlate. TCB nu a fost încă implementat (2010).

Pentru reacția de fuziune, este necesar să se apropie nucleele la o distanță de ~ 10–11 cm, după care începe fuziunea nucleelor ​​datorită efectului de tunel. Protonii necesită o energie de 10 keV, care corespunde cu T = 10 8 K.

Toate lucrările la CTS se bazează pe implementarea reacției

Reproducerea tritiului poate fi realizată prin înconjurare zona de lucru strat de litiu și folosiți reacția

Fie τ timpul mediu de retenție al particulelor în miez, n fi concentrația particulelor (nuclee). Fie coeficientul de conversie a energiei de reacție nucleară în energie electrică. energie radiatii electromagnetice plasma și energia termică a particulelor de plasmă sunt aceleași și egale cu . În condiții de funcționare staționară a sistemului la putere utilă zero, ecuația bilanţului energetic dintr-un reactor termonuclear are forma încălzirii unor volume foarte mici de materie termonucleară.

Lucrările la CTS continuă prin crearea de reactoare termonucleare bazate pe tokamak(camera toroidală cu plasmă de deuteriu-tritiu și câmp magnetic toroidal) și stellarator(sistem toroidal cu plasmă de deuteriu-tritiu și un câmp magnetic creat de înfășurări externe).

Diagrama Reactorului Termonuclear Internațional - reactorul experimental tokamak ITER este prezentată în Fig. 1.17. Parametrii săi: rază mare a plasmei 8,1 m, rază mică a plasmei 3 m, câmp magnetic toroidal pe axa 5,7 T, curent nominal al plasmei 21 MA, putere termonucleară nominală cu combustibil deuteriu-tritiu 1500 MW. Reactorul conține următoarele componente principale: solenoidul 1, un câmp indus sau electric, efectuează defalcarea gazului și încălzește plasma, primul perete 9 este orientat spre plasma de înaltă temperatură și percepe fluxul de căldură sub formă de radiații și particule, pătură. 2 - protectie in care se reproduce tritiul ars in plasma, bobinele 8 din supraconductor NB 3 Sn creeaza un camp magnetic toroidal. Deviatorul 10 servește la îndepărtarea căldurii din plasmă sub forma unui flux de particule încărcate și la pomparea produșilor de reacție de heliu și protiu (hidrogen). Camera de vid 4 și mijloacele de pompare 5 creează un vid înalt în camera de lucru a reactorului, unde este creată plasmă. Construcția este programată pentru Franța (2010). Participanți la proiect: Rusia, SUA, Euroatom, Japonia. Costă aproximativ 2 miliarde de dolari.

Fig.1.17. Proiectul internațional de reactoare termonucleare ITER