Don't try to fix me, I'm not broken
тут работа по физике, кухня, проматывайте))
пока что начальная стадия накидывания цитатТермоядерная реа́кция (синоним: ядерная реакция синтеза) — разновидность ядерной реакции, при которой легкие атомные ядра объединяются в более тяжелые ядра.
Если рассмотренные выше ядерные реакции представляют собой деление ядер тяжелых элементов, обладающих большим атомным весом, причем инициатором процесса является нейтрон, а ядра делящегося вещества, как говорят физики, служат мишенью, то в термоядерной реакции, при которой происходит синтез ядер легких элементов, все начинается со сближения ядер атомов (как часто говорят, столкновения атомов) на расстояние порядка 10-13 см, или 10-9 мкм (одной миллиардной доли микрометра). Сближению ядер противостоят электростатические силы отталкивания, так как ядра атомов имеют одинаковый положительный заряд. Чтобы преодолеть эти силы, взаимодействующие частицы должны обладать большой кинетической энергией. Другими словами, вещество должно иметь, в отличие от реакции деления ядер очень высокую температуру (десятки миллионов градусов). Именно поэтому реакция синтеза ядер называется термоядерной. При такой высокой температуре вещество пребывает в плазменном состоянии. Плазма отличается от газа тем, что ее составляют не молекулы и атомы, а ядра атомов и свободные электроны. Важно отметить, что частицы, составляющие плазму, электрически заряжены: ядра атомов - положительно, электроны - отрицательно.
Происхождение терминаДля того, чтобы произошла реакция синтеза, исходные ядра должны преодолеть силу электростатического отталкивания (см. ниже), для этого они должны иметь большую кинетическую энергию. Если предположить, что кинетическая энергия ядер определяется их тепловым движением, то можно сказать, что для реакции синтеза нужна большая температура. Поэтому реакция названа «термоядерной».
реакции слияния (синтеза) лёгких ядер, протекающие при высоких температурах. Эти реакции обычно идут с выделением энергии, поскольку в образовавшемся в результате слияния более тяжёлом ядре нуклоны связаны сильнее, т.е. имеют, в среднем, бoльшую энергию связи, чем в исходных сливающихся ядрах. Избыточная суммарная энергия связи нуклонов при этом освобождается в виде кинетической энергии продуктов реакции. Название “термоядерные реакции” отражает тот факт, что эти реакции идут при высоких температурах (>107–108 К), поскольку для слияния лёгкие ядра должны сблизиться до расстояний, равных радиусу действия ядерных сил притяжения, т.е. до расстояний 10-13 см. А вне зоны действия этих сил положительно заряженные ядра испытывают кулоновское отталкивание. Преодолеть это отталкивание могут лишь ядра, летящие навстречу друг другу с большими скоростями, т.е. входящие в состав сильно нагретых сред, либо специально ускоренные.
Водород имеет три изотопа: протий (Н) - «обычный» водород, ядром которого является протон; дейтерий (D) -более тяжелый водород, его атомное ядро состоит из протона и нейтрона; тритий (Т) - еще более тяжелый водород, его атомное ядро состоит из одного протона и двух нейтронов. Атомные массы трех названных изотопов водорода (Н, D, Т) относятся между собой как 1:2:3.
Как, вероятно, известно читателю, по современным научным представлениям, источником энергии звезд, в том числе нашего Солнца, служит термоядерная реакция, в результате которой водород превращается в гелий (Не) - инертный газ без цвета и запаха, который сжижается труднее всех других газов при t = -268,93° С. В результате термоядерной реакции превращения водорода в гелий выделяется, как уже говорилось, огромное количество тепла.
Возможность осуществления в земных условиях термоядерной реакции, для которой исходными веществами служат тяжелые изотопы водорода - дейтерий и тритий, доказана. Именно такая реакция протекает в термоядерной (водородной) бомбе, где она носит характер неуправляемого кратковременного мощного взрыва. Для того чтобы использовать термоядерную реакцию в мирных целях, нужно сделать ее управляемой, протекающей спокойно.
Vorteile & Nachteile
Реакция термоядерного синтеза обладает рядом практических преимуществ по сравнению с реакцией ядерного распада.
Ядерный распад неизбежно сопровождается радиоактивным потоком осколков ядер, нейтронов и других массивных частиц.
При осуществлении реакции термоядерного синтеза существует принципиальная возможность избежать радиоактивного потока обладающих массой частиц.
«Чистая энергия» света будет в таком случае «энергетическим» продуктом реакции. Этот энергетический выход превращения избыточной массы в свет, «не влезающей» в тяжелое ядро после слияния лёгких, называют дефектом массы. Он строго подчиняется уравнению Эйнштейна E=mc².
Энергетический выход реакции термоядерного синтеза выше ядерных реакций распада, реализуемых в традиционных реакторах.
Поддержание реакции ядерного распада на должном уровне требует тщательно контролируемого человеком потока нейтронов. Превышение этого потока приводит к неуправляемой цепной реакции, воплощающейся в ядерном взрыве.
Управляемый термоядерный синтез лишён такой опасности и не требует источника нейтронов для своего осуществления. Необходимым условием протекания термоядерной реакции является не поток тяжёлых радиоактивных частиц, а высокая температура.
Справедливости ради, стоит отметить, что риск возникновения неуправляемой цепной реакции в современных атомных реакторах чрезвычайно низок.
Существующие ядерные реакторы в качестве топлива используют металлические или металлокерамические сплавы содержащие уран, торий или плутоний.
Высокий уровень радиоактивности сохраняет в течение миллионов лет как само топливо, так и остающиеся после отработки топливные элементы.
Чрезвычайно трудоёмки процессы производства этого топлива и его вторичного использования.
Нарушения в технологии сопряжены с высоким риском для окружающей среды. Более того, ядерное топливо можно использовать для создания атомного оружия.
Топливо для термоядерных реакторов лишено перечисленных недостатков
ресурсами для термоядерной реакции? Для дейтерий-тритиевой реакции (или, как ее часто именуют, D+T-реакции), а именно такую реакцию предполагается сделать управляемой, с ресурсами дело обстоит, по-видимому, благополучно.
Дейтерия на Земле очень много. Только в воде морей и океанов ресурсы дейтерия настолько велики (они по энергетическому эквиваленту во много миллионов раз превышают ресурсы всех видов органического топлива, вместе взятых), что их практически можно рассматривать как неограниченные.
Что касается лития, из которого получают тритий (точнее сказать, из изотопов лития 6Li и 7Li), то считается, что его ресурсы тоже очень велики: они принимаются равными по энергетическому эквиваленту запасам урана на Земле.
А если бы удалось использовать D+D-реакцию (а не D+Т-реакцию), то энергетический ресурс можно было бы рассматривать как практически неисчерпаемый.
Следовательно, задача использования термоядерной энергии заключается в том, чтобы создать такой реактор, в котором D+T-реакция совершалась бы спокойно и управляемо. Задача эта чрезвычайно трудная.
Для ее решения необходимо создать очень высокую температуру исходных веществ (в данном случае D и Т), порядка 100 млн. градусов, и, что, может быть, еще труднее, длительно ее удерживать.
Управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерном оружии), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий(2H) и тритий (3H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (3He) и бор-11 (11B). Впервые задачу по управляемому термоядерному синтезу в Советском Союзе сформулировал и предложил для неё некоторое конструктивное решение советский физик Лаврентьев О. А.
Самоподдерживающиеся термоядерные реакции являются эффективным источником ядерной энергии. Однако осуществить их на Земле сложно, так как для этого нужно удерживать высокие концентрации ядер при огромных температурах. Необходимые условия для протекания самоподдерживающихся термоядерных реакций имеются в звёздах, где они являются главным источником энергии. Так внутри Солнца, где находятся ядра водорода при плотности 100 г/см3 и температуре 107 К, идёт цепочка термоядерных реакций превращения четырёх протонов (ядер водорода) в ядро гелия-4 (4Не).
Термоядерный реактор – установка, где энергия получается за счёт самоподдерживающегося управляемого термоядерного синтеза. В земных условиях наиболее подходящими для такой установки являются следующие реакции синтеза, осуществляемые изотопами водорода, дейтерием – 2Н и тритием – 3Н, (в скобках приведена освобождающаяся энергия):
2Н + 2Н3Н + 1Н (4.03 МэВ),
2Н + 2Н3Не + n (3.27 МэВ),
2Н + 3Н4Не + n (17.59 МэВ).
Видно, что выход энергии на единицу массы ядерного вещества в реакциях синтеза может быть в несколько раз больше, чем в реакциях деления. Более того, дейтерий, с которого начинается цепочка реакций синтеза, является практически неисчерпаемым источником дешёвого термоядерного горючего (1 г дейтерия содержится в 60 литрах воды).
Однако реализовать управляемый термоядерный синтез в земных условиях очень сложно и до сих пор это не удалось. Для этого надо создать установку, в которой нагретое до огромных температур (108 К), и поэтому представляющее собой высокотемпературную плазму, ядерное топливо необходимо достаточно долго удерживать в состоянии с высокой плотностью (как это имеет место внутри Солнца и других звёзд, которые представляют собой естественные термоядерные реакторы). Любой материал испарится при столь высоких температурах и, поэтому, не может быть использован, чтобы удержать высокотемпературную плазму в замкнутом объёме (в звёздах высокотемпературная плазма удерживается мощными гравитационным силами).
Есть два способа удержания горячей плазмы, которые считаются наиболее перспективными. Это магнитное удержание и, так называемое, инерционное удержание. Магнитное удержание использует магнитное поле для того, чтобы не дать горячей плазме выйти из замкнутого контролируемого объёма. В существующих системах магнитного удержания (токамаках) область, внутри которой удерживается горячая плазма, имеет форму тороида (правильного бублика).
В инерционном удержании маленький (1 мм) дейтерий-тритиевый шарик подвергают одновременному “удару” с нескольких направлений очень интенсивными лазерными или электронными (ионными) пучками. Огромное количество энергии, которое при таком ударе передаётся шарику, мгновенно сжимает, нагревает и ионизует его, превращая в кусочек плотной нагретой до 108 К плазмы. Нагрев должен быть сверхбыстрым (10-9 сек), чтобы испаряющееся вещество шарика не успело выйти из контролируемого объёма до “зажигания” термоядерной реакции. Таким образом, в этом методе используется инерционность вещества.
Создание эффективного термоядерного реактора оказалось намного более сложной проблемой, чем создание реактора, использующего деление ядер. Однако, возможно, она будет решена в первой половине 21-го века.
vadim_proskurin:
URL записи
Именно поэтому реакция синтеза ядер называется термоядерной. При такой высокой температуре вещество пребывает в плазменном состоянии. Плазма отличается от газа тем, что ее составляют не молекулы и атомы, а ядра атомов и свободные электроны. Важно отметить, что частицы, составляющие плазму, электрически заряжены: ядра атомов - положительно, электроны - отрицательно.
Вместе с тем, неуправляемая термоядерная реакция нашла своё применение в военном деле. Впервые термоядерное взрывное устройство было испытано в ноябре 1952 года в США, а в августе 1953 года в Советском Союзе испытали термоядерное устройство в виде авиабомбы. Мощность термоядерного оружия (в отличие от атомного) ограничена лишь количеством используемого для его создания материала, что позволяет создать взрывное устройство практически любой мощности.
читать дальшеNational Ignition Facility (NIF, Национальный комплекс зажигания / Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций) — научный комплекс для осуществления инерциального термоядерного синтеза (ICF) с помощью лазеров. Находится в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в городе Ливермор (штат Калифорния, США). Директор проекта NIF — Эдвард Мозес (Edward Moses).
На возведение комплекса ушло 12 лет и примерно 4 млрд $. Об окончании строительства NIF было объявлено 31 марта 2009 года. Ожидается, что выход термоядерной энергии на установке впервые превысит энергию, затраченную на запуск реакции.
Содержание [убрать]
1 Характеристики NIF
2 Теория ICF
3 Перспективы комплекса NIF
4 См. также
5 Ссылки
[править] Характеристики NIFКомплекс состоит из 192 мощных лазеров, которые будут одновременно направляться на миллиметровую мишень. Мощность лазерной установки — 500 ТВт. Температура мишени будет достигать десятков миллионов градусов, при этом она сожмется в 1000 раз.
Все 192 УФ-лазера, обрушивающие поток света на мишень в центре целевой камеры, берут своё начало от одного слабенького инфракрасного лазера, луч которого делится на множество потоков. Каждый из них пробегает в общей сложности по 300 м, проходя последовательно цепочку из гигантских лазерных усилителей и преобразователей частоты.
Длительность каждого импульса составляет порядка наносекунды — нескольких наносекунд, а согласование времени прихода всех лучей к мишени таково, что расхождение между самым «торопливым» и самым «опаздывающим» импульсом не превышает 30 пикосекунд.
Каждый луч в конечном счёте попадает в строго отведённую ему точку на внутренней поверхности золотого контейнера, где создаёт «солнечный зайчик» диаметром 50 мкм.
[править] Теория ICFОсновной принцип ICF, также именуемый лазерным синтезом, прост: сосредоточить свет от множества мощных лазеров на маленькой мишени из смеси дейтерия и трития. Мгновенное испарение внешнего слоя создаст реактивную силу, направленную к центру, что приведёт к сильному сжатию мишени и её разогреву до температуры запуска термоядерной реакции.
Причём реакция, начавшись в центре мишени, распространится наружу во внешние, более холодные её слои намного раньше (буквально в наносекунды), чем весь сжатый материал разлетится в стороны. Потому данный метод удержания горячей плазмы и назван инерциальным. Однако предыдущие опыты показали, что даже с большим числом лазеров прямым облучением со всех сторон трудно добиться равномерного сжатия мишени, а это — ключ ко всему.
Микроскопические неравномерности, приводят к тому, что горячая плазма «расплескивается», прежде чем ударная волна внутри шарика запустит цепную и устойчивую реакцию синтеза. И даже если некоторые из ядер дейтерия и трития в момент такого «удара» сольются (а такое в прежних опытах уже происходило, в частности на установке Nova — предшественнице NIF, созданной также в Ливерморской лаборатории, но намного раньше — в 1984 году) — общая цель не будет достигнута.
Потому в ряде предыдущих родственных установок, а теперь и в самой NIF используется другой метод создания равномерного облучения мишени — так называемый непрямой привод (indirect drive). Заключается он в том, что лазеры направляют не в саму мишень с ядерным топливом, а в специальный полый цилиндрик под названием hohlraum, выполненный из золота, внутри которого на полимерной распорке и подвешен топливный шарик.
Мощный импульс лазеров, попадающий через торцевые отверстия на внутренние стенки цилиндра под точно рассчитанным углом, превращает его в плазму, которая окутывает топливный шарик и успевает выдать мощный импульс рентгеновского излучения, прежде чем разлетится прочь. Рентген и взрывает главную мишень, не хуже, а даже эффективнее, чем взорвало бы её прямое попадание лазеров.
Благодаря мгновенному испарению внешнего слоя шарика последний сжимается так, что плотность вещества в нём подскакивает до 1 килограмма на миллилитр (то есть окажется примерно в 100 раз выше плотности свинца). Температура же вырастает до 100 миллионов градусов — это выше, чем в центре Солнца.
[править] Перспективы комплекса NIFNIF должна стать первой установкой в своём роде, на которой энергетический выход от реакции синтеза превзойдёт энергетические затраты на её розжиг.
Улучшение в дизайне мишени и лазерной системы сулит поднятие термоядерного «выхода» с одного взрыва до 45 мегаджоулей (больше не позволят особенности камеры), а установки такого же типа, но уже следующего поколения смогут нарастить этот показатель ещё в два с лишним раза.
Далее стоит подумать о промышленных системах такого рода, на которых полученную энергию можно было бы конвертировать в электричество. Это можно осуществить следующим образом: Микроскопические солнца в центре камеры при должной частоте взрывов приведут к сильному разогреву её стенок, а это тепло можно конвертировать в ток в классической паровой или гелиевой турбине (некий теплоноситель, возможно промежуточный, следует пустить внутри стенок сферической камеры). NIF способна производить один лазерный «выстрел» каждые 5 часов — больше не позволит разогрев оптической системы, приводящий к её деформации. Но промышленная система лазерного синтеза должна подрывать в центре установки по несколько топливных шариков в секунду. А значит, потребуется более сложный дизайн лазерного комплекса с мощным охлаждением, а ещё — «пушка», стреляющая на скорости в 10—100 м/с мишенями точно в центр камеры (это сейчас мишень филигранно устанавливают неподвижно на конце гигантской «иглы»).
пока что начальная стадия накидывания цитатТермоядерная реа́кция (синоним: ядерная реакция синтеза) — разновидность ядерной реакции, при которой легкие атомные ядра объединяются в более тяжелые ядра.
Если рассмотренные выше ядерные реакции представляют собой деление ядер тяжелых элементов, обладающих большим атомным весом, причем инициатором процесса является нейтрон, а ядра делящегося вещества, как говорят физики, служат мишенью, то в термоядерной реакции, при которой происходит синтез ядер легких элементов, все начинается со сближения ядер атомов (как часто говорят, столкновения атомов) на расстояние порядка 10-13 см, или 10-9 мкм (одной миллиардной доли микрометра). Сближению ядер противостоят электростатические силы отталкивания, так как ядра атомов имеют одинаковый положительный заряд. Чтобы преодолеть эти силы, взаимодействующие частицы должны обладать большой кинетической энергией. Другими словами, вещество должно иметь, в отличие от реакции деления ядер очень высокую температуру (десятки миллионов градусов). Именно поэтому реакция синтеза ядер называется термоядерной. При такой высокой температуре вещество пребывает в плазменном состоянии. Плазма отличается от газа тем, что ее составляют не молекулы и атомы, а ядра атомов и свободные электроны. Важно отметить, что частицы, составляющие плазму, электрически заряжены: ядра атомов - положительно, электроны - отрицательно.
Происхождение терминаДля того, чтобы произошла реакция синтеза, исходные ядра должны преодолеть силу электростатического отталкивания (см. ниже), для этого они должны иметь большую кинетическую энергию. Если предположить, что кинетическая энергия ядер определяется их тепловым движением, то можно сказать, что для реакции синтеза нужна большая температура. Поэтому реакция названа «термоядерной».
реакции слияния (синтеза) лёгких ядер, протекающие при высоких температурах. Эти реакции обычно идут с выделением энергии, поскольку в образовавшемся в результате слияния более тяжёлом ядре нуклоны связаны сильнее, т.е. имеют, в среднем, бoльшую энергию связи, чем в исходных сливающихся ядрах. Избыточная суммарная энергия связи нуклонов при этом освобождается в виде кинетической энергии продуктов реакции. Название “термоядерные реакции” отражает тот факт, что эти реакции идут при высоких температурах (>107–108 К), поскольку для слияния лёгкие ядра должны сблизиться до расстояний, равных радиусу действия ядерных сил притяжения, т.е. до расстояний 10-13 см. А вне зоны действия этих сил положительно заряженные ядра испытывают кулоновское отталкивание. Преодолеть это отталкивание могут лишь ядра, летящие навстречу друг другу с большими скоростями, т.е. входящие в состав сильно нагретых сред, либо специально ускоренные.
Водород имеет три изотопа: протий (Н) - «обычный» водород, ядром которого является протон; дейтерий (D) -более тяжелый водород, его атомное ядро состоит из протона и нейтрона; тритий (Т) - еще более тяжелый водород, его атомное ядро состоит из одного протона и двух нейтронов. Атомные массы трех названных изотопов водорода (Н, D, Т) относятся между собой как 1:2:3.
Как, вероятно, известно читателю, по современным научным представлениям, источником энергии звезд, в том числе нашего Солнца, служит термоядерная реакция, в результате которой водород превращается в гелий (Не) - инертный газ без цвета и запаха, который сжижается труднее всех других газов при t = -268,93° С. В результате термоядерной реакции превращения водорода в гелий выделяется, как уже говорилось, огромное количество тепла.
Возможность осуществления в земных условиях термоядерной реакции, для которой исходными веществами служат тяжелые изотопы водорода - дейтерий и тритий, доказана. Именно такая реакция протекает в термоядерной (водородной) бомбе, где она носит характер неуправляемого кратковременного мощного взрыва. Для того чтобы использовать термоядерную реакцию в мирных целях, нужно сделать ее управляемой, протекающей спокойно.
Vorteile & Nachteile
Реакция термоядерного синтеза обладает рядом практических преимуществ по сравнению с реакцией ядерного распада.
Ядерный распад неизбежно сопровождается радиоактивным потоком осколков ядер, нейтронов и других массивных частиц.
При осуществлении реакции термоядерного синтеза существует принципиальная возможность избежать радиоактивного потока обладающих массой частиц.
«Чистая энергия» света будет в таком случае «энергетическим» продуктом реакции. Этот энергетический выход превращения избыточной массы в свет, «не влезающей» в тяжелое ядро после слияния лёгких, называют дефектом массы. Он строго подчиняется уравнению Эйнштейна E=mc².
Энергетический выход реакции термоядерного синтеза выше ядерных реакций распада, реализуемых в традиционных реакторах.
Поддержание реакции ядерного распада на должном уровне требует тщательно контролируемого человеком потока нейтронов. Превышение этого потока приводит к неуправляемой цепной реакции, воплощающейся в ядерном взрыве.
Управляемый термоядерный синтез лишён такой опасности и не требует источника нейтронов для своего осуществления. Необходимым условием протекания термоядерной реакции является не поток тяжёлых радиоактивных частиц, а высокая температура.
Справедливости ради, стоит отметить, что риск возникновения неуправляемой цепной реакции в современных атомных реакторах чрезвычайно низок.
Существующие ядерные реакторы в качестве топлива используют металлические или металлокерамические сплавы содержащие уран, торий или плутоний.
Высокий уровень радиоактивности сохраняет в течение миллионов лет как само топливо, так и остающиеся после отработки топливные элементы.
Чрезвычайно трудоёмки процессы производства этого топлива и его вторичного использования.
Нарушения в технологии сопряжены с высоким риском для окружающей среды. Более того, ядерное топливо можно использовать для создания атомного оружия.
Топливо для термоядерных реакторов лишено перечисленных недостатков
ресурсами для термоядерной реакции? Для дейтерий-тритиевой реакции (или, как ее часто именуют, D+T-реакции), а именно такую реакцию предполагается сделать управляемой, с ресурсами дело обстоит, по-видимому, благополучно.
Дейтерия на Земле очень много. Только в воде морей и океанов ресурсы дейтерия настолько велики (они по энергетическому эквиваленту во много миллионов раз превышают ресурсы всех видов органического топлива, вместе взятых), что их практически можно рассматривать как неограниченные.
Что касается лития, из которого получают тритий (точнее сказать, из изотопов лития 6Li и 7Li), то считается, что его ресурсы тоже очень велики: они принимаются равными по энергетическому эквиваленту запасам урана на Земле.
А если бы удалось использовать D+D-реакцию (а не D+Т-реакцию), то энергетический ресурс можно было бы рассматривать как практически неисчерпаемый.
Следовательно, задача использования термоядерной энергии заключается в том, чтобы создать такой реактор, в котором D+T-реакция совершалась бы спокойно и управляемо. Задача эта чрезвычайно трудная.
Для ее решения необходимо создать очень высокую температуру исходных веществ (в данном случае D и Т), порядка 100 млн. градусов, и, что, может быть, еще труднее, длительно ее удерживать.
Управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерном оружии), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий(2H) и тритий (3H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (3He) и бор-11 (11B). Впервые задачу по управляемому термоядерному синтезу в Советском Союзе сформулировал и предложил для неё некоторое конструктивное решение советский физик Лаврентьев О. А.
Самоподдерживающиеся термоядерные реакции являются эффективным источником ядерной энергии. Однако осуществить их на Земле сложно, так как для этого нужно удерживать высокие концентрации ядер при огромных температурах. Необходимые условия для протекания самоподдерживающихся термоядерных реакций имеются в звёздах, где они являются главным источником энергии. Так внутри Солнца, где находятся ядра водорода при плотности 100 г/см3 и температуре 107 К, идёт цепочка термоядерных реакций превращения четырёх протонов (ядер водорода) в ядро гелия-4 (4Не).
Термоядерный реактор – установка, где энергия получается за счёт самоподдерживающегося управляемого термоядерного синтеза. В земных условиях наиболее подходящими для такой установки являются следующие реакции синтеза, осуществляемые изотопами водорода, дейтерием – 2Н и тритием – 3Н, (в скобках приведена освобождающаяся энергия):
2Н + 2Н3Н + 1Н (4.03 МэВ),
2Н + 2Н3Не + n (3.27 МэВ),
2Н + 3Н4Не + n (17.59 МэВ).
Видно, что выход энергии на единицу массы ядерного вещества в реакциях синтеза может быть в несколько раз больше, чем в реакциях деления. Более того, дейтерий, с которого начинается цепочка реакций синтеза, является практически неисчерпаемым источником дешёвого термоядерного горючего (1 г дейтерия содержится в 60 литрах воды).
Однако реализовать управляемый термоядерный синтез в земных условиях очень сложно и до сих пор это не удалось. Для этого надо создать установку, в которой нагретое до огромных температур (108 К), и поэтому представляющее собой высокотемпературную плазму, ядерное топливо необходимо достаточно долго удерживать в состоянии с высокой плотностью (как это имеет место внутри Солнца и других звёзд, которые представляют собой естественные термоядерные реакторы). Любой материал испарится при столь высоких температурах и, поэтому, не может быть использован, чтобы удержать высокотемпературную плазму в замкнутом объёме (в звёздах высокотемпературная плазма удерживается мощными гравитационным силами).
Есть два способа удержания горячей плазмы, которые считаются наиболее перспективными. Это магнитное удержание и, так называемое, инерционное удержание. Магнитное удержание использует магнитное поле для того, чтобы не дать горячей плазме выйти из замкнутого контролируемого объёма. В существующих системах магнитного удержания (токамаках) область, внутри которой удерживается горячая плазма, имеет форму тороида (правильного бублика).
В инерционном удержании маленький (1 мм) дейтерий-тритиевый шарик подвергают одновременному “удару” с нескольких направлений очень интенсивными лазерными или электронными (ионными) пучками. Огромное количество энергии, которое при таком ударе передаётся шарику, мгновенно сжимает, нагревает и ионизует его, превращая в кусочек плотной нагретой до 108 К плазмы. Нагрев должен быть сверхбыстрым (10-9 сек), чтобы испаряющееся вещество шарика не успело выйти из контролируемого объёма до “зажигания” термоядерной реакции. Таким образом, в этом методе используется инерционность вещества.
Создание эффективного термоядерного реактора оказалось намного более сложной проблемой, чем создание реактора, использующего деление ядер. Однако, возможно, она будет решена в первой половине 21-го века.
11.10.2010 в 03:21
Пишет Bercut_bird:09.10.2010 в 07:31
Пишет vadim_proskurin:Об управляемом термоядерном синтезе
Управляемый термоядерный синтез - одна из наиболее перспективных технологий в области энергетики. В отличие от реакции расщепления урана, реакция синтеза гелия почти не создает радиоактивных отходов, поэтому термоядерные реакторы должны быть почти безопасными в смысле радиационного загрязнения. Кроме того, топливо для термоядерных реакций должно быть гораздо дешевле, чем обогащенный уран.
До последнего времени исследования в области управляемого термоядерного синтеза велись в основном в направлении квазистационарных реакторов, в которых термоядерное горение должно поддерживаться непрерывно на протяжении долгого времени. При этом раскаленная до миллионов градусов плазма упаковывается в магнитную ловушку, которая у всех известных опытных образцов потребляет больше энергии, чем реактор вырабатывает. Впрочем, лучшие образцы реакторов уже почти вплотную приблизились к равенству потребляемой и вырабатываемой энергии. Вот один из них, британский JET, он развивает тепловую мощность 16 мегаватт, потребляя при этом около 23 мегаватт электричества.
читать дальше
Многие физики-ядерщики убеждены, что принципиальные теоретические проблемы в области управляемого термоядерного синтеза уже решены. Есть модели реакторов, которые, по расчетам, уже могут вырабатывать электроэнергию в промышленных масштабах (хотя по сравнению с другими электростанциями эти реакторы будуь нерентабельны). Один из таких реакторов то ли уже начали строить, то ли вот-вот начнут, он называется ITER, он будет построен в 60 км от Марселя к 2019 году. ITER будет циклопическим сооружением 30 м в высоту, он должен вырабатывать полгигаватта энергии. Запуск самоподдерживающейся термоядерной реакции в ITER ожидается в 2026 году, до этого будут проводиться предварительные эксперименты. Вот таким должен стать ITER (на фото макет, реактор изображен в разрезе):
Другой подход к управляемому термоядерному синтезу - так называемый инерциальный подход. Его идея впервые сформулирована Фридвартом Винтербергом еще в 1964 году, но почти до конца прошлого века инерциальный термоядерный синтез казался фантастикой.
Идея инерциального синтеза очень проста. Очень маленькая порция дейтерий-тритиевой смеси очень быстро (наносекунды) нагревается до температуры около 100 миллионов градусов, это примерно на порядок превосходит температуру, при которой начинается термоядерный синтез. При таких условиях термояд успевает превратиться в гелий быстрее, чем тепловое расширение разбрасывает его в стороны. Та же самая идея реализуется в водородной бомбе, но стандартные военные технологии не позволяют устроить взрыв, при котором выделяется менее 4 тераджоулей энергии (килотонна тротилового эквивалента). Но если удастся сделать водородную бомбу миниатюрной, можно непрерывно взрывать такие микробомбы в специальной камере и отводить тепло от стен камеры - получается термоядерный реактор. Это и есть инерциальный термоядерный реактор.
В 1980-е годы прошли первые эксперименты по нагреву термояда лазерными лучами, оказалось, что требуемый лазер должен быть воистину циклопическим. В 1994 году начались работы по проектированию этого мегалазера, в 1997 году в Ливерморской лаборатории начали строить здание для этих экспериментов. В прошлом году его, наконец, построили, вот какое оно получилось:
По размерам оно немного превосходит футбольное поле. На нижней картинке здание изображено в разрезе. Цифрами 1 и 2 обозначены два комплекса лазеров (всего 192 штуки), цифрой 3 - экспериментальный термоядерный реактор. На верхней фотографии в следующей паре изображены лазеры:
На нижней фотографии изображен реактор изнутри. Обратите внимание на людей на обеих фотографиях, они позволяют оценить масштабы сооружений. Мегакарандаш в правой части нижней фотографии - держатель мишени с термоядом, сама мишень вот:
Она содержит 150 микрограммов термояда, это не дейтерид лития, а газообразный водород (точнее, смесь дейтерия и трития). Непосредственно перед экспериментов мишень охлаждают до 18 кельвинов, чтобы водород замерз (обычно он замерзает при 14 кельвинах, но шарик сделан из особого материала, к которому жидкий водород примерзает). Перед лазерным обстрелом шарик упаковывается вот в такой золотой цилиндрик:
Он нужен, чтобы обеспечить радиационную имплозию, в водородной бомбе ту же роль играет толстая оболочка из обедненного урана. Впрочем, в нескольких экспериментах предполагается облучать голую мишень, без золотого цилиндрика. А вот некоторые детали лазеров, используемых в установке:
На второй картинке изображен монокристалл дигидрогенфосфата калия весом 363 кг. Чтобы его вырастить, пришлось придумывать новую технологию. Все лазеры в сумме вырабатывают 4 мегаджоуля инфракрасного света, которые конвертируются специальными преобразователями в 1.8 мегаджоуля ультрафиолетового света (он лучше поглощается твердыми телами) и весь этот ад одновременно (погрешность составляет 30 пикосекунд) обрушивается на золотой цилиндрик:
Цилиндрик моментально испаряется, при этом выделяется жесткое рентгеновское излучение, которое устраивает термоядерной мишени радиационную имплозию и происходит взрыв, как в очень маленькой водородной бомбе. Выглядит это примерно так (обе фотографии кликабельны). До:
После:
6 октября прошло первое испытание этой адской машины. Основная цель испытания - оценка качества работы систем прицеливания и синхронизации, цель достигнута, качество оценено и признано отличным. Мощность лазерного импульса в этом испытании составляла всего лишь 1 мегаджоуль, этого мало, чтобы запустить термоядерную реакцию в мишени. Полномасштабное испытание "термоядерной спички" состоится в ближайшее время.
Даже если инерциальный термоядерный синтез заработает, его промышленная реализация - дело далекого будущего, на доводку технологий понадобится не менее нескольких десятилетий. Но масштабы экспериментов внушают.
URL записиУправляемый термоядерный синтез - одна из наиболее перспективных технологий в области энергетики. В отличие от реакции расщепления урана, реакция синтеза гелия почти не создает радиоактивных отходов, поэтому термоядерные реакторы должны быть почти безопасными в смысле радиационного загрязнения. Кроме того, топливо для термоядерных реакций должно быть гораздо дешевле, чем обогащенный уран.
До последнего времени исследования в области управляемого термоядерного синтеза велись в основном в направлении квазистационарных реакторов, в которых термоядерное горение должно поддерживаться непрерывно на протяжении долгого времени. При этом раскаленная до миллионов градусов плазма упаковывается в магнитную ловушку, которая у всех известных опытных образцов потребляет больше энергии, чем реактор вырабатывает. Впрочем, лучшие образцы реакторов уже почти вплотную приблизились к равенству потребляемой и вырабатываемой энергии. Вот один из них, британский JET, он развивает тепловую мощность 16 мегаватт, потребляя при этом около 23 мегаватт электричества.
читать дальше
Многие физики-ядерщики убеждены, что принципиальные теоретические проблемы в области управляемого термоядерного синтеза уже решены. Есть модели реакторов, которые, по расчетам, уже могут вырабатывать электроэнергию в промышленных масштабах (хотя по сравнению с другими электростанциями эти реакторы будуь нерентабельны). Один из таких реакторов то ли уже начали строить, то ли вот-вот начнут, он называется ITER, он будет построен в 60 км от Марселя к 2019 году. ITER будет циклопическим сооружением 30 м в высоту, он должен вырабатывать полгигаватта энергии. Запуск самоподдерживающейся термоядерной реакции в ITER ожидается в 2026 году, до этого будут проводиться предварительные эксперименты. Вот таким должен стать ITER (на фото макет, реактор изображен в разрезе):
Другой подход к управляемому термоядерному синтезу - так называемый инерциальный подход. Его идея впервые сформулирована Фридвартом Винтербергом еще в 1964 году, но почти до конца прошлого века инерциальный термоядерный синтез казался фантастикой.
Идея инерциального синтеза очень проста. Очень маленькая порция дейтерий-тритиевой смеси очень быстро (наносекунды) нагревается до температуры около 100 миллионов градусов, это примерно на порядок превосходит температуру, при которой начинается термоядерный синтез. При таких условиях термояд успевает превратиться в гелий быстрее, чем тепловое расширение разбрасывает его в стороны. Та же самая идея реализуется в водородной бомбе, но стандартные военные технологии не позволяют устроить взрыв, при котором выделяется менее 4 тераджоулей энергии (килотонна тротилового эквивалента). Но если удастся сделать водородную бомбу миниатюрной, можно непрерывно взрывать такие микробомбы в специальной камере и отводить тепло от стен камеры - получается термоядерный реактор. Это и есть инерциальный термоядерный реактор.
В 1980-е годы прошли первые эксперименты по нагреву термояда лазерными лучами, оказалось, что требуемый лазер должен быть воистину циклопическим. В 1994 году начались работы по проектированию этого мегалазера, в 1997 году в Ливерморской лаборатории начали строить здание для этих экспериментов. В прошлом году его, наконец, построили, вот какое оно получилось:
По размерам оно немного превосходит футбольное поле. На нижней картинке здание изображено в разрезе. Цифрами 1 и 2 обозначены два комплекса лазеров (всего 192 штуки), цифрой 3 - экспериментальный термоядерный реактор. На верхней фотографии в следующей паре изображены лазеры:
На нижней фотографии изображен реактор изнутри. Обратите внимание на людей на обеих фотографиях, они позволяют оценить масштабы сооружений. Мегакарандаш в правой части нижней фотографии - держатель мишени с термоядом, сама мишень вот:
Она содержит 150 микрограммов термояда, это не дейтерид лития, а газообразный водород (точнее, смесь дейтерия и трития). Непосредственно перед экспериментов мишень охлаждают до 18 кельвинов, чтобы водород замерз (обычно он замерзает при 14 кельвинах, но шарик сделан из особого материала, к которому жидкий водород примерзает). Перед лазерным обстрелом шарик упаковывается вот в такой золотой цилиндрик:
Он нужен, чтобы обеспечить радиационную имплозию, в водородной бомбе ту же роль играет толстая оболочка из обедненного урана. Впрочем, в нескольких экспериментах предполагается облучать голую мишень, без золотого цилиндрика. А вот некоторые детали лазеров, используемых в установке:
На второй картинке изображен монокристалл дигидрогенфосфата калия весом 363 кг. Чтобы его вырастить, пришлось придумывать новую технологию. Все лазеры в сумме вырабатывают 4 мегаджоуля инфракрасного света, которые конвертируются специальными преобразователями в 1.8 мегаджоуля ультрафиолетового света (он лучше поглощается твердыми телами) и весь этот ад одновременно (погрешность составляет 30 пикосекунд) обрушивается на золотой цилиндрик:
Цилиндрик моментально испаряется, при этом выделяется жесткое рентгеновское излучение, которое устраивает термоядерной мишени радиационную имплозию и происходит взрыв, как в очень маленькой водородной бомбе. Выглядит это примерно так (обе фотографии кликабельны). До:
После:
6 октября прошло первое испытание этой адской машины. Основная цель испытания - оценка качества работы систем прицеливания и синхронизации, цель достигнута, качество оценено и признано отличным. Мощность лазерного импульса в этом испытании составляла всего лишь 1 мегаджоуль, этого мало, чтобы запустить термоядерную реакцию в мишени. Полномасштабное испытание "термоядерной спички" состоится в ближайшее время.
Даже если инерциальный термоядерный синтез заработает, его промышленная реализация - дело далекого будущего, на доводку технологий понадобится не менее нескольких десятилетий. Но масштабы экспериментов внушают.
Именно поэтому реакция синтеза ядер называется термоядерной. При такой высокой температуре вещество пребывает в плазменном состоянии. Плазма отличается от газа тем, что ее составляют не молекулы и атомы, а ядра атомов и свободные электроны. Важно отметить, что частицы, составляющие плазму, электрически заряжены: ядра атомов - положительно, электроны - отрицательно.
Вместе с тем, неуправляемая термоядерная реакция нашла своё применение в военном деле. Впервые термоядерное взрывное устройство было испытано в ноябре 1952 года в США, а в августе 1953 года в Советском Союзе испытали термоядерное устройство в виде авиабомбы. Мощность термоядерного оружия (в отличие от атомного) ограничена лишь количеством используемого для его создания материала, что позволяет создать взрывное устройство практически любой мощности.
читать дальшеNational Ignition Facility (NIF, Национальный комплекс зажигания / Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций) — научный комплекс для осуществления инерциального термоядерного синтеза (ICF) с помощью лазеров. Находится в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в городе Ливермор (штат Калифорния, США). Директор проекта NIF — Эдвард Мозес (Edward Moses).
На возведение комплекса ушло 12 лет и примерно 4 млрд $. Об окончании строительства NIF было объявлено 31 марта 2009 года. Ожидается, что выход термоядерной энергии на установке впервые превысит энергию, затраченную на запуск реакции.
Содержание [убрать]
1 Характеристики NIF
2 Теория ICF
3 Перспективы комплекса NIF
4 См. также
5 Ссылки
[править] Характеристики NIFКомплекс состоит из 192 мощных лазеров, которые будут одновременно направляться на миллиметровую мишень. Мощность лазерной установки — 500 ТВт. Температура мишени будет достигать десятков миллионов градусов, при этом она сожмется в 1000 раз.
Все 192 УФ-лазера, обрушивающие поток света на мишень в центре целевой камеры, берут своё начало от одного слабенького инфракрасного лазера, луч которого делится на множество потоков. Каждый из них пробегает в общей сложности по 300 м, проходя последовательно цепочку из гигантских лазерных усилителей и преобразователей частоты.
Длительность каждого импульса составляет порядка наносекунды — нескольких наносекунд, а согласование времени прихода всех лучей к мишени таково, что расхождение между самым «торопливым» и самым «опаздывающим» импульсом не превышает 30 пикосекунд.
Каждый луч в конечном счёте попадает в строго отведённую ему точку на внутренней поверхности золотого контейнера, где создаёт «солнечный зайчик» диаметром 50 мкм.
[править] Теория ICFОсновной принцип ICF, также именуемый лазерным синтезом, прост: сосредоточить свет от множества мощных лазеров на маленькой мишени из смеси дейтерия и трития. Мгновенное испарение внешнего слоя создаст реактивную силу, направленную к центру, что приведёт к сильному сжатию мишени и её разогреву до температуры запуска термоядерной реакции.
Причём реакция, начавшись в центре мишени, распространится наружу во внешние, более холодные её слои намного раньше (буквально в наносекунды), чем весь сжатый материал разлетится в стороны. Потому данный метод удержания горячей плазмы и назван инерциальным. Однако предыдущие опыты показали, что даже с большим числом лазеров прямым облучением со всех сторон трудно добиться равномерного сжатия мишени, а это — ключ ко всему.
Микроскопические неравномерности, приводят к тому, что горячая плазма «расплескивается», прежде чем ударная волна внутри шарика запустит цепную и устойчивую реакцию синтеза. И даже если некоторые из ядер дейтерия и трития в момент такого «удара» сольются (а такое в прежних опытах уже происходило, в частности на установке Nova — предшественнице NIF, созданной также в Ливерморской лаборатории, но намного раньше — в 1984 году) — общая цель не будет достигнута.
Потому в ряде предыдущих родственных установок, а теперь и в самой NIF используется другой метод создания равномерного облучения мишени — так называемый непрямой привод (indirect drive). Заключается он в том, что лазеры направляют не в саму мишень с ядерным топливом, а в специальный полый цилиндрик под названием hohlraum, выполненный из золота, внутри которого на полимерной распорке и подвешен топливный шарик.
Мощный импульс лазеров, попадающий через торцевые отверстия на внутренние стенки цилиндра под точно рассчитанным углом, превращает его в плазму, которая окутывает топливный шарик и успевает выдать мощный импульс рентгеновского излучения, прежде чем разлетится прочь. Рентген и взрывает главную мишень, не хуже, а даже эффективнее, чем взорвало бы её прямое попадание лазеров.
Благодаря мгновенному испарению внешнего слоя шарика последний сжимается так, что плотность вещества в нём подскакивает до 1 килограмма на миллилитр (то есть окажется примерно в 100 раз выше плотности свинца). Температура же вырастает до 100 миллионов градусов — это выше, чем в центре Солнца.
[править] Перспективы комплекса NIFNIF должна стать первой установкой в своём роде, на которой энергетический выход от реакции синтеза превзойдёт энергетические затраты на её розжиг.
Улучшение в дизайне мишени и лазерной системы сулит поднятие термоядерного «выхода» с одного взрыва до 45 мегаджоулей (больше не позволят особенности камеры), а установки такого же типа, но уже следующего поколения смогут нарастить этот показатель ещё в два с лишним раза.
Далее стоит подумать о промышленных системах такого рода, на которых полученную энергию можно было бы конвертировать в электричество. Это можно осуществить следующим образом: Микроскопические солнца в центре камеры при должной частоте взрывов приведут к сильному разогреву её стенок, а это тепло можно конвертировать в ток в классической паровой или гелиевой турбине (некий теплоноситель, возможно промежуточный, следует пустить внутри стенок сферической камеры). NIF способна производить один лазерный «выстрел» каждые 5 часов — больше не позволит разогрев оптической системы, приводящий к её деформации. Но промышленная система лазерного синтеза должна подрывать в центре установки по несколько топливных шариков в секунду. А значит, потребуется более сложный дизайн лазерного комплекса с мощным охлаждением, а ещё — «пушка», стреляющая на скорости в 10—100 м/с мишенями точно в центр камеры (это сейчас мишень филигранно устанавливают неподвижно на конце гигантской «иглы»).
-
-
15.03.2011 в 14:33-
-
15.03.2011 в 14:38это кстати интересно, если не в таком количестве, как у меня тут)))))))
-
-
15.03.2011 в 14:42-
-
15.03.2011 в 18:51-
-
15.03.2011 в 19:16прошу заметить, что я не просто балда, я балда, храпящий на клаве!
-
-
15.03.2011 в 19:21