Проблемы термоядерной энергетики

Для промышленного производства энергии предполагается нагрев исходных ядер до столь высоких температур, чтобы кинетической энергии ядер было достаточно для их столкновения и слияния.

Оценим достаточную температуру для протекания реакции. Пусть два ядра сближаются с одинаковой тепловой энергией, преодолевая кулоновское отталкивание:

. 14.1

Произведя расчет, например, для двух ядер дейтерия, при сближении на расстояние 10^{-14 м, получим необходимую температуру около 109} К. Такую температуру можно получить в эпицентре атомного взрыва, что было использовано при создании водородной бомбы.

Для протекания реакции синтеза может быть достаточно нагрева до температур несколько меньше рассчитанной, учитывая, что часть ядер в «хвосте» распределения по скорости имеет энергию больше средней тепловой энергии, и что возможно явления туннельного эффекта при слиянии ядер. Затраты энергии на нагрев в расчете на одно ядро составляют величину около одного кэВ, а тепловой эффект реакции синтеза несколько МэВ, то есть в тысячи раз больше. Выигрыш очевиден.

Вещество при температуре сотни миллионов Кельвин находится в состоянии плазмы. Плазма – это четвертое состояние вещества, наряду с твердым телом, жидкостью и газом. Плазма состоит из ионов и электронов и в целом электронейтральна. Плазма обладает высокой электропроводностью, близкой к нулю, интенсивно поглощает электромагнитное излучение. Плазма является диамагнетиком и выталкивается из области сильного магнитного поля.

Возможно несколько способов создания высокотемпературной плазмы. Во-первых, можно пропустить через дейтерий электрический разряд. При протекании тока в плазме собственное магнитное поле тока сжимает плазму в шнур (пинч-эффект). Но, однако, плазменный шнур оказывается неустойчивым, возникают изгибы, расширения шнура. Достаточно касания стенок камеры, как температура падает. Кроме того, в момент возникновения плазмы её сопротивление падало настолько сильно, что дальнейший разогрев током оказывался невозможным. С этими проблемами столкнулись создатели серии исследовательских установок «Токамак» (ток–камера–магнит), (рис. 14.2). В установках кольцевой плазменный шнур создавался внутри тороидальной камеры. Его предполагалось удерживать магнитным полем электромагнитов. Однако, достигнуть зоны протекания реакций не удалось (рис. 14.3).

Из других способов достижения зоны термоядерных реакций следует отметить нагрев лазерным излучением. Предполагалось небольшой шарик замороженного дейтерия расположить в центре сферической камеры. На поверхности камеры расположить мощные импульсные лазеры. При одновременном излучении лазеров со всех сторон дейтерий мгновенно испарится, превратится в плазму, но не разлетится по камере, так как будет сжат световым давлением лазерного излучения. Предполагалось, что произведение времени излучения лазеров на плотность плазмы и достигнутая температура будут достаточны для протекания термоядерной реакции, небольшого управляемого взрыва.

Овладение термоядерным синтезом могло бы с помощью магнитогидродинамических генераторов превращать энергию реакций в электроэнергию с высоким КПД. Из камеры, где протекает реакция, поток высокотемпературной плазмы движется между двумя электродами, которые помещены в магнитное поле. Сила Лоренц перемещает положительно заряженные ядра на анод, а электроны на катод (рис. 14.4). Создается источник тока.

МГД-генератор – это тепловая машина. В идеальном случае КПД тепловых машин определяется по формуле Карно . Здесь Т₁ и Т₂ – температуры потока на входе в межэлектродное пространство и на выходе. Так как температура плазмы очень велика, то и КПД должно быть достаточно высоким.

Энергия звезд

По спектральным исследованиям установлено, что Солнце, наша ближайшая звезда, состоит в основном из водорода, некоторой части гелия и менее одного процента приходится на более тяжелые элементы. Естественно предположить, что в недрах звезд идет термоядерная реакция образования гелия из ядер атомов водорода, из протонов. Однако, как показали эксперименты на ускорителе, реакция слияния двух протонов в новое ядро требует более высокой температуры, чем слияние ядер дейтерия и, во-вторых, эта реакция происходит очень редко. Но Солнце очень большое и плотность водорода очень высока (более 100г/см³), поэтому малая вероятность слияния протонов компенсируется высокой частотой их соударений. Был придуман возможный протон–протонный цикл синтеза ядер гелия. Сначала два протона вступают в реакцию с образованием ядра дейтерия, позитрона и нейтрино. Позитрон тут же исчезает, аннигилируя с электроном с образованием двух гамма-фотонов..

. 14.2

Образовавшееся ядро дейтерия, окруженное протонами, соединяется с одним из них с образованием ядра гелия-3:

. 14.3

На последнем этапе два ядра гелия-3 сливаются в составное ядро, которое делится на ядро гелия-4 и два протона:

. 14.4

Удвоив первые две реакции, чтоб получить два ядра гелия-3 на последнем этапе, получим в итоге, что из шести протонов образовано ядро гелия-4 и два протона, два позитрона, два нейтрино и гамма излучение. Тепловой эффект реакций равен 26,7 МэВ. Эта энергия, как кинетическая энергия продуктов реакции, передается из недр Солнца в периферийные слои процессом теплопроводности, конвекции, электромагнитным излучением. Солнце является источником потока нейтрино, гамма-излучения, и, в основном, теплового излучения поверхностных слоев.

Несмотря на огромный поток излучения Солнца.

Эволюция звезд

15. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

К элементарным частицам относят частицы вещества, структура которых неизвестна.

Первыми открытыми частицами были электроны, которые образуют электронную оболочку атомов, затем были открыты протоны и нейтроны, которые входят в состав ядер атомов. Источником других элементарных частиц сначала было космическое излучение, которое со всех сторон падает на Землю. Так были открыты мезоны. Затем были созданы ускорители, в которых протоны, электроны с энергией до 10²² эВ при попадании на мишень вызывали рождение новых и новых элементарных частиц. Общее число открытых частиц достигает нескольких сотен. По времени жизни их можно разделить на стабильные, квазистабильные со временем жизни 10^-8–10^-10 с. По ядерным меркам это очень большое время, так как процессы ядерного взаимодействия происходят за 10^-20 с. Огромное число остальные частицы со временем жизни порядка 10^-20 с называются резонансами. Может быть, это промежуточные состояния частиц в процессе их взаимодействия.

Основным свойством элементарных частиц является способность к превращениям, однако эти процессы идут с соблюдением установленных законов сохранения. Как и в ядерной физике сохраняется масса-энергия, импульс, спин. Изучение процессов превращения частиц привело к необходимости введения новых квантовых чисел: лептонное число, барионное число, странность, которые сохраняются в любых процессах, а также четность, очарование, прелесть, которые сохраняются только в некоторых видах превращений. Реакций превращения частиц возможно очень много.