Энергия
ядерного синтеза
Мурсякаев Марат
Асяатович, ученик 10-го класса, школы №75 г.
Черноголовка
Доклад на
конференции “Старт в науку”, МФТИ, 2004.
Как известно,
ядерные превращения могут сопровождаться значительным выделением энергии. Так,
в ядерных реакциях синтеза гелия и трития из ядер – изотопов водорода
имеем d + t 4He + n + 17,6 МэВ,
d + d 3He + n + 3,3 МэВ,
d + d t + p + 4,0 МэВ,
p + d 3He + g + 5,5 МэВ.
Символы p, n,
d, t, He, g отвечают соответственно протону, нейтрону, ядрам дейтерия, трития,
гелия и g-кванту.
Напомним, что 1
МэВ = 106 эВ (электронвольт). Ядерный синтез является источником излучения
Солнца (и других звезд).
Выделение
энергии в ядерных реакциях в миллионы раз превышает энерговыделение при обычном
горении. Ввиду быстрого истощения ресурсов естественных источников энергии на
Земле (нефть, газ, уголь) актуальной является проблема овладения ядерной
энергией. Уже существующая ядерная энергетика основана на использовании реакций
деления.
Необходимым
условием протекания таких реакций является сближение ядер водорода на малые
расстояния, сравнимые с размерами ядер. Для этого водород нагревают до сотен
миллионов градусов. Этот способ называется термоядерным. До высокой температуры
вещество может быть нагрето двумя способами: путём удержания вещества в
магнитных ловушках либо взрывным способом, где вещество удерживается за счёт
инерционных сил.
Поэтому
проблема промышленного получения энергии с помощью ядерных реакций синтеза
получила название термоядерной. В настоящее время известны два способа
осуществления самоподдерживающейся термоядерной реакции.
1. Медленная
реакция, самопроизвольно происходящая в недрах Солнца и других звезд. В этом
случае количество реагирующего вещества настолько колоссально, что оно
удерживается и сильно уплотняется (до 100 г/см3 в центре Солнца)
гравитационными силами.
2. Быстрая
реакция неуправляемого характера, происходящая при взрыве водородной бомбы. В
качестве ядерного взрывчатого вещества в водородной бомбе используются ядра
легких элементов (например, ядра дейтерия и лития). Высокая температура,
необходимая для начала термоядерного процесса, достигается в результате взрыва
атомной бомбы, которая входит в состав водородной бомбы (рис. 1).
Условие
существования реакции синтеза состоит в том, чтобы выделившаяся энергия
превышала энергию, уносимую из плазмы электромагнитным и корпускулярным
излучением. При равенстве этих величин реакция синтеза будет протекать, но
генерации избытка энергии для полезного использования происходить не будет. Это
равенство называется условием зажигания термоядерной реакции. В оценочном
аналитическом виде оно впервые было получено американским физиком Дж.Д.
Лоусоном в 1957 году и называется критерием Лоусона:
nt ~ L(T ),
где t – среднее
время удержания плазмы в активной зоне реактора; L(T ) – коэффициент Лоусона,
зависящий от температуры, типа легких ядер и потерь на излучение.
Исследования
показали, что критерий Лоусона должен быть nt ~ 1014 с/см3.
Таким образом,
для осуществления реакции синтеза в дейтерий-тритиевой плазме необходимо
обеспечить высокую температуру (нагреть) и концентрацию ионов (сжать) в течение
определенного времени (удержать). Детально рассматриваются два способа решения
проблемы УТС:
– длительный (t
~ 0,17 с) нагрев дейтерий-тритиевой плазмы низкой плотности (n ї 1014 см- 3) в
определенном объеме при температуре порядка 108 К;
–
высокоскоростной (около 10- 9 с) нагрев малых объемов конденсированного
термоядерного топлива (n ї 1023 см- 3).
Большинство
исследований по проблеме УТС проведено с плазмой малой концентрации. Основной
задачей этого направления является обеспечение длительного времени удержания
плазмы. Для предотвращения соприкосновения со стенками рабочего объема
используются магнитные поля различной конфигурации. Из магнитных ловушек в
настоящее время специалисты считают наиболее перспективной ловушку, называемую
ТОКАМАКом (тороидальная камера с магнитными катушками). Не останавливаясь
подробно на достижениях и проблемах ТОКАМАКов, отметим, что в конце 70-х годов
страны, развивающие это направление, объединили свои усилия по разработке
проекта интернационального термоядерного экспериментального реактора. Цель
реализации этого проекта – техническая демонстрация УТС.
Второе направление
исследований с плазмой высокой концентрации начало развиваться учеными США и
СССР в начале 60-х годов. Альтернативность этого направления выражается в том,
что его разработчики предложили не преодолевать огромные трудности по удержанию
неустойчивых плазменных сгустков, а создать такие условия, при которых значимая
часть термоядерного топлива сгорела бы быстрее, чем оно разлетится. Временные
параметры этого процесса определялись инерцией топливной смеси. Это направление
получило название инерциального термоядерного синтеза (ИТС). Идея заключалась в
том, что дейтерий-тритиевая смесь в конденсированном (замороженном) состоянии
сверхбыстро нагревается до температуры порядка 108 К. Длительность сохранения
объема топлива определяется временем разлета плазмы, которое имеет порядок d /
u, где d – линейный размер объема, u – средняя скорость частиц нагретой плазмы.
Это время можно принять за время удержания плазмы, которое входит в критерий
Лоусона . Тогда можно оценить размер d: n * d / u ~ L, откуда d ~ L ” u /
n. Используя для дейтерий-тритиевой плазмы значения L 1014 c/см3, u = 108 см/с и n = 5 * 1022 см3, получим значение d =
2 мм, а время удержания t = 2 * 10- 9 с.
На этих двух
путях физики добились примерно одинакового уровня- физика процессов ясна, но впереди
большие инженерно-технические трудности.Помимо описанных способов существует
принципиально другой способ получения ядерной энергии синтеза – мезонный
катализ, позволяющий обойтись без использования высоких температур. Основная
идея m-катализа состоит в следующем. Находящийся в водородной среде, содержащей
ядра-изотопы d и t, свободный мюон образует сначала мюонный атом (dm , tm), а
затем и мезомолекулярный ион. В таком ионе благодаря его малым размерам
достаточно быстро протекает соответствующая ядерная реакция синтеза. При этом
происходит высвобождение мюона (если его не подхватит образующееся в реакции
заряженное ядро) и цепочка описанных превращений повторяется до момента распада
мюона.
В бомбах
выполнения условия термоядерного горения достигли за пятилетку. В УТС несмотря
на десятилетия интенсивных исследований, практически результат до сих пор не
получен. Поэтому учёные Всероссийского научно-исследовательского института
технической физики (РФЯЦ-ВНИИТФ) города Снежинска (ранее Челябинск-70) предлагают
взрывать небольшие термоядерные заряды в КВС (Котлы Взрывного Сгорания) .
Так может
выглядеть котел взрывного сгорания. В стальной емкости (1) содержится несколько
десятков тысяч тонн теплоносителя – жидкого натрия (2). Заряд (3) собирают из
отдельных компонентов и опускают в емкость по каналу доставки (4). После взрыва
горячий жидкий натрий поступает в теплообменник (5), где производится водяной
пар высокого давления. Пар вращает турбину (6), соединенную с электрическим
генератором. Для осколков деления (порядка тонны в год) оборудован могильник
(7); “недогоревшее” топливо (уран, плутоний) и продукты реакции
(гелий-3, тритий) направляют в переработку.
В ее
осуществлении нет принципиальных проблем. Большая часть того, что нужно для
создания экспериментального КВС, уже сделана. Производить термоядерные взрывы
дейтерия мощностью в десятки тонн и даже одну килотонну научились давно.
Проблема создания сверхвысоких температур и давлений, необходимых для
“управляемых” взрывов мощностью в тонны тротилового эквивалента, при
этом снимается, поскольку горение дейтерия инициируется небольшим взрывом
заряда, состоящего из урана-233. В природе он не встречается; его получают из
достаточно распространенного в природе тория. Причем тория и урана для взрывной
энергетики требуется в тысячи раз меньше, чем для работы АЭС той же мощности.
Соответственно в сотни раз уменьшается количество радиоактивных отходов, а
химические загрязнения практически отсутствуют.
Список
литературы
1. Пономарев
Л.И. Под знаком кванта. М: Сов.Россия. 1984. 352 с.
2. Воронов Г.С.
Штурм термоядерной крепости. М.: Наука, 1985, 192 с. (Б-чка “Кванта”; вып.
37) 3. Герштейн С.С., Петров Ю.В.,
Пономарев Л.И. УФН, 1990. Т.160, вып. 8. С. 3-46.
4. Карнаков
Б.М. Мюонный катализ ядерного синтеза. Соровский образовательный журнал.1999.
№12. С 62-67.