Термоядерной энергетики не будет никогда. Термоядерная энергетика: состояние и перспективы Система для исследования проблемы управляемого термоядерного синтеза

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Благовещенский государственный педагогический университет»

Физико-математический факультет

Кафедра общей физики

Курсовая работа

на тему: Проблемы термоядерного синтеза

по дисциплине: Физика

Исполнитель: В.С. Клетченко

Руководитель: В.А. Евдокимова

Благовещенск 2010

Введение

Термоядерные реакции и их энергетическая выгодность

Условия протекания термоядерных реакций

Осуществление термоядерных реакций в земных условиях

Основные проблемы, связанные с осуществлением термоядерных реакций

Осуществление управляемых термоядерных реакций в установках типа «ТОКАМАК»

Проект ИТЭР

Современные исследования плазмы и термоядерных реакций

Заключение

Литература

Введение

В настоящее время человечество не может представить свою жизнь без электроэнергии. Она везде. Но традиционные способы получения электроэнергии не дешевые: только представить возведение ГЭС или реактора АЭС, то сразу становится понятно почему. Ученые 20-го века, перед лицом энергетического кризиса, нашли способ получения электроэнергии из вещества, количество которого не ограничено. Термоядерные реакции протекают при распаде дейтерия и трития. В одном литре воды содержится дейтерия столько, что при термоядерном синтезе может выделиться столько энергии, сколько получается при сжигании 350 литров бензина. То есть можно сделать вывод, что вода - это неограниченный источник энергии.

Если бы получение энергии с помощью термоядерного синтеза было бы настолько просто, как при помощи ГЭС, то человечество никогда не испытывало бы кризиса в энергетике. Для получения энергии таким способом необходима температура, эквивалентная температуре в центре солнца. Где взять такую температуру, как дорого будут стоить установки, насколько выгодна такая добыча энергии и безопасна ли такая установка? На эти вопросы будет дан ответ в настоящей работе.

Цель работы: изучение свойств и проблем термоядерного синтеза.

Термоядерные реакции и их энергетическая выгодность

Термоядерная реакция - синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который носит управляемый характер.

Известно, что ядро атома водорода представляет собой протон р. Такого водорода очень много в природе – в воздухе и в воде. Кроме этого существуют более тяжелые изотопы водорода. Ядро одного из них содержит, кроме протона р, еще и нейтрон n. Называется этот изотоп дейтерием D. Ядро другого изотопа содержит, кроме протона р два нейтрона n и называется тритерием (тритием) Т. Термоядерные реакции наиболее эффективно происходят при сверхвысоких температурах порядка 10 7 – 10 9 К. При термоядерных реакциях выделяется очень большая энергия, превышающая энергию, которая выделяется при делении тяжелых ядер. В реакции синтеза выделяется энергия, которая в расчете на 1кг вещества значительно больше энергии, выделяющейся в реакции деления урана. (Здесь под выделяющейся энергией понимается кинетическая энергия частиц, образующихся в результате реакции.) Например, при реакции слияния ядер дейтерия 1 2 D и трития 1 3 Т в ядро гелия 2 4 Не:

1 2 D + 1 3 Т → 2 4 Не + 0 1 n,

Выделяется энергия, приблизительно равная 3,5 МэВ на один нуклон. В реакциях деления энергия на один нуклон составляет около 1 МэВ.

При синтезе ядра гелия из четырех протонов:

4 1 1 p→ 2 4 Не + 2 +1 1 е,

выделяется еще большая энергия, равная 6,7 МэВ на одну частицу. Энергетическая выгодность термоядерных реакций объясняется тем, что удельная энергия связи в ядре атома гелия значительно превышает удельную энергию связи ядер изотопов водорода. Таким образом, при удачном осуществлении управляемых термоядерных реакций человечество получит новый мощный источник энергии.

Условия протекания термоядерных реакций

Для слияния легких ядер необходимо преодолеть потенциальный барьер, обусловленный кулоновским отталкиванием протонов в одноименно положительно заряженных ядрах. Для слияния ядер водорода 1 2 Dих надо сблизить на расстояние r, равное приблизительно r ≈ 3 10 -15 м. Для этого нужно совершить работу, равную электростатической потенциальной энергии отталкивания П=е 2: (4πε 0 r) ≈ 0,1 МэВ. Ядра дейтона смогут преодолеть такой барьер, если при соударении их средняя кинетическая энергия 3 / 2 kT будет равна 0,1 МэВ. Это возможно при Т=2 10 9 К. Практически температура, необходимая для протекания термоядерных реакций снижается на два порядка и составляет 10 7 К.

Температура порядка 10 7 К характерна для центральной части Солнца. Спектральный анализ показал, что в веществе Солнца, как и многих других звезд, имеется до 80% водорода и около 20% гелия. Углерод, азот и кислород составляют не более 1% массы звезд. При огромной массе Солнца (≈ 2 10 27 кг) количество этих газов достаточно велико.

Термоядерные реакции происходят на Солнце и звездах и являются источником энергии, обеспечивающим их излучение. Ежесекундно Солнце излучает энергию3,8 10 26 Дж, что соответствует уменьшению его массы на 4,3 млн. тонн. Удельное выделение энергии Солнца, т.е. выделение энергии, приходящееся на единицу массы Солнца в одну секунду, равно 1,9 10 -4 Дж/с кг. Оно весьма мало и составляет около 10 -3 % от удельного выделения энергии в живом организме в процессе обмена веществ. Мощность излучения Солнца практически не изменилась за много миллиардов лет существования Солнечной системы.

Один из путей протекания термоядерных реакций на Солнце – углеродно-азотный цикл, в котором соединение ядер водорода в ядро гелия облегчается в присутствии ядер углерода 6 12 С играющих роль катализаторов. В начале цикла быстрый протон проникает в ядро атома углерода 6 12 С и образует неустойчивое ядро изотопа азота 7 13 N с излучением γ-кванта:

6 12 С + 1 1 p→ 7 13 N + γ.

С периодом полураспада 14 минут в ядре 7 13 N происходит превращение 1 1 p→ 0 1 n + +1 0 е + 0 0 ν е и образуется ядро изотопа 6 13 С:

7 13 N→ 6 13 С + +1 0 е + 0 0 ν е.

приблизительно через каждые 32 млн. лет ядро 7 14 N захватывает протон и превращается в ядро кислорода 8 15 О:

7 14 N+ 1 1 p→ 8 15 О + γ.

Неустойчивое ядро 8 15 О с периодом полураспада 3 минуты испускает позитрон и нейтрино и превращается в ядро 7 15 N:

8 15 О→ 7 15 N+ +1 0 е+ 0 0 ν е.

Цикл завершается реакцией поглощения ядром 7 15 N протона с распадом его на ядро углерода 6 12 С и α-частицу. Это происходит приблизительно через 100 тысяч лет:

7 15 N+ 1 1 p→ 6 12 С + 2 4 Не.

Новый цикл начинается вновь с поглощением углеродом 6 12 С протона, исходящего в среднем через 13 миллионов лет. Отдельные реакции цикла отдалены во времени промежутками, которые являются по земным масштабам времени непомерно большими. Однако цикл является замкнутым и происходит непрерывно. Поэтому различные реакции цикла происходят на Солнце одновременно, начавшись в разные моменты времени.

В результате этого цикла четыре протона сливаются в ядро гелия с появлением двух позитронов и γ-излучения. К этому нужно добавить излучение, возникающее при слиянии позитронов с электронами плазмы. При образовании одного гамматома гелия выделяется 700 тысяч кВт ч энергии. Это количество энергии компенсирует потери энергии Солнца на излучение. Расчеты показывают, что количества водорода, имеющегося на Солнце, хватит на поддержание термоядерных реакций и излучения Солнца на миллиарды лет.

Осуществление термоядерных реакций в земных условиях

Осуществление термоядерных реакций в земных условиях создаст огромные возможности для получения энергии. Например, при использовании дейтерия, содержащегося в одном литре воды, в реакции термоядерного синтеза выделится столько же энергии, сколько выделится при сгорании примерно 350 литров бензина. Но если термоядерная реакция будет протекать самопроизвольно, то произойдет колоссальный взрыв, так как выделяющаяся при этом энергия очень велика.

Условия, близкие к тем, что реализуются в недрах Солнца, были осуществлены в водородной бомбе. Там происходит самоподдерживающаяся термоядерная реакция взрывного характера. Взрывчатым веществом является смесь дейтерия 1 2 D с тритием 1 3 Т. Высокая температура, необходимая для протекания реакции, получается за счет взрыва обычной атомной бомбы, помещенной внутри термоядерной.

Основные проблемы, связанные с осуществлением термоядерных реакций

В термоядерном реакторе реакция синтеза должна происходить медленно, должна быть возможность управлять ею. Изучение реакций, происходящих в высокотемпературной дейтериевой плазме, является теоретической основой получения искусственных управляемых термоядерных реакций. Основной трудностью является поддержание условий, необходимых для получения самоподдерживающейся термоядерной реакции. Для такой реакции необходимо, чтобы скорость выделения энергии в системе, где происходит реакция, была не меньше, чем скорость отвода энергии от системы. При температурах порядка 10 8 К термоядерные реакции в дейтериевой плазме обладают заметной интенсивностью и сопровождаются выделением большой энергии. В единице объема плазмы при соединении ядер дейтерия выделяется мощность 3кВт/м 3 . При температурах порядка 10 6 К мощность составляет всего лишь 10 -17 Вт/м 3 .

9 июля 2016

Инновационные проекты с использованием современных сверхпроводников в ближайшее время позволят осуществить управляемый термоядерный синтез - так утверждают некоторые оптимисты. Эксперты, однако, предсказывают, что практическое применение займет несколько десятилетий.

Почему так сложно?

Энергия термоядерного синтеза считается потенциальным источником энергии будущего. Это чистая энергия атома. Но что же она собой представляет и почему ее так сложно добиться? Для начала следует разобраться с различием между классическим делением ядра и термоядерным синтезом.

Деление атома состоит в том, что радиоактивные изотопы - уран или плутоний - расщепляются и превращаются в другие высокорадиоактивные изотопы, которые затем должны быть захоронены или переработаны.

Реакция термоядерного синтеза заключается в том, что два изотопа водорода - дейтерий и тритий - сливаются в единое целое, образуя неядовитый гелий и единственный нейтрон, не производя радиоактивных отходов.

Проблема контроля

Реакции, которые происходят на Солнце или в водородной бомбе, - это синтез термоядерный, и перед инженерами стоит грандиозная задача - как контролировать этот процесс на электростанции?

Это то, над чем ученые работают начиная с 1960-х годов. Очередной экспериментальный реактор термоядерного синтеза под названием Wendelstein 7-X начал работу в северном немецком городе Грайфсвальде. Пока еще он не предназначен для создания реакции - это просто особая конструкция, которая проходит испытания (стелларатор вместо токамака).

Высокоэнергетичная плазма

Все термоядерные установки обладают общей чертой - кольцеобразной формой. В ее основе лежит идея использования мощных электромагнитов для создания сильного электромагнитного поля, имеющего форму тора - надутой велосипедной камеры.

Это электромагнитное поле должно быть настолько плотным, что, когда оно нагревается в микроволновой печи до одного миллиона градусов по Цельсию, в самом центре кольца должна появиться плазма. Затем она зажигается, чтобы синтез термоядерный мог начаться.

Демонстрация возможностей

В Европе в настоящее время проводится два подобных эксперимента. Одним из них является Wendelstein 7-X, который недавно сгенерировал свою первую гелиевую плазму. Другой - ITER - огромная экспериментальная установка термоядерного синтеза на юге Франции, которая все еще находится в стадии строительства и будет готова к запуску в 2023 году.

Предполагается, что на ITER будут происходить настоящие ядерные реакции, правда, лишь в течение короткого периода времени и уж точно не дольше 60 минут. Этот реактор является лишь одним из многих шагов на пути к тому, чтобы на практике осуществить ядерный синтез.

Термоядерный реактор: меньше и мощнее

Недавно несколько конструкторов объявили о создании нового дизайна реактора. По словам группы студентов из Массачусетского технологического института, а также представителей компании - производителя вооружений «Локхид Мартин», термоядерный синтез можно осуществить в установках, которые гораздо мощнее и меньше, чем ITER, и они готовы сделать это в течение десяти лет.

Идея новой конструкции заключается в использовании в электромагнитах современных высокотемпературных сверхпроводников, которые проявляют свои свойства при охлаждении жидким азотом, а не обычных, для которых необходим жидкий гелий. Новая, более гибкая технология позволит полностью изменить конструкцию реактора.

Клаус Хеш, отвечающий за технологии ядерного синтеза в Технологическом институте Карлсруэ на юго-западе Германии, настроен скептически. Он поддерживает использование новых высокотемпературных сверхпроводников для новых конструкций реакторов. Но, по его словам, что-то разработать на компьютере с учетом законов физики недостаточно. Необходимо принять во внимание вызовы, которые возникают при воплощении идеи на практике.

Научная фантастика

По словам Хеша, модель студентов MIT показывает лишь возможность осуществления проекта. Но на самом деле в ней много научной фантастики. Проект предполагает, что серьезные технические проблемы термоядерного синтеза решены. Но современная наука не имеет ни малейшего представления о том, как их решить.

Одной из таких проблем является идея разборных катушек. Для того чтобы попасть внутрь кольца, удерживающего плазму, в модели MIT-дизайна электромагниты могут быть разобраны.

Это было бы очень полезно, потому что можно бы было иметь доступ к объектам во внутренней системе и заменять их. Но в действительности сверхпроводники выполнены из керамического материала. Сотни их должны быть переплетены изощренным способом, чтобы сформировать правильное магнитное поле. И здесь возникают более фундаментальные трудности: соединения между ними не так просты, как соединения медных кабелей. Никто еще даже не задумывался о концепциях, которые бы помогли решить подобные проблемы.

Слишком горячо

Высокая температура также представляет собой проблему. В сердцевине термоядерной плазмы температура достигнет около 150 миллионов градусов по Цельсию. Эта экстремальная жара остается на месте - прямо в центре ионизированного газа. Но даже вокруг нее все еще очень жарко - от 500 до 700 градусов в зоне реактора, являющейся внутренним слоем металлической трубы, в которой будет «воспроизводиться» тритий, необходимый для того, чтобы происходил ядерный синтез.

Термоядерный реактор имеет еще большую проблему - так называемый выпуск мощности. Это часть системы, в которую из процесса синтеза поступает использованное топливо, в основном гелий. Первые металлические компоненты, в которые попадает горячий газ, называются «дивертор». Он может нагреваться свыше 2000 °C.

Проблема дивертора

Чтобы установка могла выдерживать такие температуры, инженеры пытаются использовать металлический вольфрам, применяемый в старомодных лампах накаливания. Температура плавления вольфрама около 3000 градусов. Но есть и другие ограничения.

В ITER это можно сделать, потому что нагрев в ней происходит не постоянно. Предполагается, что реактор будет работать лишь 1-3 % времени. Но это не вариант для электростанции, которая должна работать в режиме 24/7. И, если кто-то утверждает, что способен построить меньший реактор с такой же мощностью, как ITER, можно уверенно сказать, что у него нет решения проблемы дивертора.

Электростанция через несколько десятилетий

Тем не менее ученые с оптимизмом смотрят на развитие термоядерных реакторов, правда, оно будет не таким быстрым, как предсказывают некоторые энтузиасты.

ITER должен показать, что управляемый термоядерный синтез на самом деле может произвести больше энергии, чем будет затрачено на нагрев плазмы. Следующим шагом будет строительство совершенно новой гибридной демонстрационной электростанции, которая бы на самом деле вырабатывала электроэнергию.

Инженеры уже сейчас работают над ее дизайном. Они должны будут извлечь уроки из ITER, запуск которой запланирован на 2023 г. Принимая во внимание время, необходимое для проектирования, планирования и строительства, кажется маловероятным, что первая термоядерная электростанция будет запущена намного раньше середины XXI века.

Холодный термоядерный синтез Росси

В 2014 году независимый тест реактора E-Cat пришел к выводу, что устройство в течение 32 дней в среднем производило 2800 Вт выходной мощности при потреблении 900 Вт. Это больше, чем способна выделить любая химическая реакция. Результат говорит либо о прорыве в термоядерном синтезе, либо об откровенном мошенничестве. Отчет разочаровал скептиков, которые сомневаются в том, была ли проверка действительно независимой и предполагают возможную фальсификацию результатов тестирования. Другие занялись выяснением «секретных ингредиентов», которые позволяют осуществить термоядерный синтез Росси, чтобы воспроизвести эту технологию.

Росси - мошенник?

Андреа импозантен. Он издает воззвания к миру на уникальном английском в разделе комментариев своего веб-сайта, претенциозно названного «Журнал ядерной физики». Но его предыдущие неудачные попытки включали итальянский проект превращения мусора в топливо и термоэлектрический генератор. Petroldragon, проект переработки отходов в источник энергии, не удался отчасти потому, что нелегальное захоронение отходов контролируется итальянской организованной преступностью, которая возбудила против него уголовное дело о нарушении правил обращения с отходами. Также он создал термоэлектрическое устройство для Инженерного корпуса сухопутных войск США, но во время тестирования гаджет произвел лишь часть заявленной мощности.

Многие не доверяют Росси, а главный редактор New Energy Times прямо назвал его уголовником, за плечами которого череда неудачных энергетических прожектов.

Независимая проверка

Росси заключил контракт с американской компанией Industrial Heat на проведение годичных секретных испытаний 1-МВт установки холодного термоядерного синтеза. Устройство представляло собой транспортировочный контейнер, упакованный десятками E-Cat. Эксперимент должен был контролироваться третьей стороной, которая бы могла подтвердить, что действительно имеет место генерация тепла. Росси утверждает, что провел большую часть прошлого года, практически живя в контейнере, и наблюдал за операциями в течение более 16 ч в сутки, чтобы доказать коммерческую жизнеспособность E-Cat.

Тест завершился в марте. Сторонники Росси с нетерпением ждали отчета наблюдателей, надеясь на оправдание своего героя. Но в итоге они получили судебный процесс.

Судебное разбирательство

В своем заявлении в суд Флориды Росси утверждает, что тест прошел успешно и независимый арбитр подтвердил, что реактор E-Cat производит в шесть раз больше энергии, чем потребляет. Он также утверждал, что компания Industrial Heat согласилась заплатить ему 100 млн долларов США - 11,5 млн авансом после 24-часового испытания (якобы за права лицензирования, чтобы компания могла продавать эту технологию в США) и еще 89 млн после успешного завершения расширенного испытания в течение 350 дней. Росси обвинял IH в проведении «мошеннической схемы», целью которой была кража его интеллектуальной собственности. Он также обвинил компанию в незаконном присвоении реакторов E-Cat, незаконном копировании инновационных технологий и продуктов, функциональных возможностей и конструкций и неправомерной попытке получить патент на его интеллектуальную собственность.

Золотая жила

В другом месте Росси утверждает, что на фоне одной из его демонстраций компания IH получила от инвесторов 50-60 млн долларов и еще 200 млн от Китая после воспроизведения с участием китайских должностных лиц высшего уровня. Если это правда, то на кону намного больше ста миллионов долларов. Industrial Heat отвергла эти претензии как безосновательные и собирается активно защищаться. Что еще более важно, она утверждает, что «в течение более трех лет работала над подтверждением результатов, которых якобы добился Росси со своей E-Cat-технологией, и все безуспешно».

IH не верит в работоспособность E-Cat, и журнал New Energy Times не видит причин, чтобы в этом сомневаться. В июне 2011 года представитель издания посещал Италию, взял интервью у Росси и заснял демонстрацию его E-Cat. Через сутки он сообщил о своих серьезных опасениях относительно способа измерения тепловой мощности. Через 6 дней журналист выложил свое видео на YouTube. Эксперты со всего мира присылали ему анализы, которые были опубликованы в июле. Стало ясно, что это был обман.

Экспериментальное подтверждение

Тем не менее ряду исследователей - Александру Пархомову из Российского университета дружбы народов и Проекту памяти Мартина Флейшмана (MFPM) - удалось воспроизвести холодный термоядерный синтез Росси. Отчет MFPM назывался «Конец углеродной эры близок». Причиной такого восхищения стало обнаружение всплеска гамма-излучения, которое невозможно объяснить иначе, как термоядерной реакцией. По мнению исследователей, у Росси есть именно то, о чем он говорит.

Жизнеспособный открытый рецепт холодного ядерного синтеза способен вызвать энергетическую «золотую лихорадку». Могут быть найдены альтернативные методы, которые позволят обойти патенты Росси и оставить его в стороне от многомиллиардного энергетического бизнеса.

Так что, возможно, Росси предпочел бы избежать этого подтверждения.

1. Введение

2. Термоядерные реакции на Солнце

3. Проблемы управления термоядерным синтезом

3.1 Экономические проблемы

3.2 Медицинские проблемы

4. Заключение

5. Список литературы

1. Введение

Проблема управляемоготермоядерного синтеза - одна из важнейших задач, стоящих перед человечеством.

Человеческая цивилизацияне может существовать, а тем более развиваться без энергии. Все хорошопонимают, что освоенные источники энергии, к сожалению, могут скоро истощиться.По данным Мирового энергетического совета, разведанных запасов углеводородноготоплива на Земле осталось на 30 лет.

Сегодня основнымиисточниками энергии служат нефть, газ и уголь.

По оценкам специалистов,запасы этих ископаемых на исходе. Почти не осталось разведанных, годных косвоению месторождений нефти и уже наши внуки могут столкнуться с оченьсерьезной проблемой нехватки энергии.

Наиболее обеспеченныетопливом атомные электростанции могли бы, конечно, еще не одну сотню летснабжать человечество электроэнергией.

Объектисследования: Проблемыуправляемого термоядерного синтеза.

Предметисследования: Термоядерный синтез.

Цельисследования: Решить проблему управления термоядернымсинтезом;

Задачиисследования:

· Изучитьвиды термоядерных реакций.

· Рассмотретьвсе возможные варианты донесения энергии, выделявшийся во время термоядернойреакции, до человека.

· Выдвинутьтеорию о преобразования энергии в электричество.

Исходныйфакт:

Ядернаяэнергия выделяется при распаде или синтезе атомных ядер. Любая энергия - физическая, химическая, или ядерная проявляется своей способностью выполнятьработу, излучать высокую температуру или радиацию. Энергия в любой системевсегда сохраняется, но она может быть передана другой системе или изменена поформе.

Достижению условий управляемого термоядерного синтеза препятствуют несколькоосновных проблем:

· Во-первых, нужно нагреть газ до очень высокой температуры.

· Во-вторых, необходимо контролировать количество реагирующих ядер втечение достаточно долгого времени.

· В-третьих, количество выделяемой энергии должно быть больше, чем былозатрачено для нагревания и ограничения плотности газа.

· Следующая проблема – накопление этой энергии и преобразование её вэлектричество

2. Термоядерныереакции на Солнце

Что являетсяисточником солнечной энергии? Какова природа процессов, в ходе которыхпроизводится огромное количество энергии? Сколько времени будет еще светить Солнце?

Первыепопытки ответить на эти вопросы были сделаны астрономами в середине ХIX века,после формулирования физиками закона сохранения энергии.

Роберт Майерпредположил, что Солнце светит за счет постоянной бомбардировки поверхностиметеоритами и метеорными частицами. Эта гипотеза была отвергнута, так какпростой расчет показывает, что для поддержания светимости Солнца на современномуровне необходимо, чтобы на него за каждую секунду выпадало 2∙1015кг метеорного вещества. За год это составит 6∙1022 кг, а завремя существования Солнца, за 5 миллиардов лет – 3∙1032 кг.Масса Солнца М/> = 2∙1030кг, поэтому за пять миллиардов лет на Солнце должно было выпасть вещества в 150раз больше массы Солнца.

Втораягипотеза была высказана Гельмгольцем и Кельвином также в середине ХIX века. Онипредположили, что Солнце излучает за счет сжатия на 60–70 метров ежегодно.Причина сжатия – взаимное притяжение частиц Солнца, именно поэтому даннаягипотеза получила название />контракционной . Еслисделать расчет по данной гипотезе, то возраст Солнца будет не больше 20 миллионовлет, что противоречит современным данным, полученным по анализу радиоактивногораспада элементов в геологических образцах земного грунта и грунта Луны.

Третьюгипотезу о возможных источниках энергии Солнца высказал Джеймс Джинс в началеХХ века. Он предположил, что в недрах Солнца содержатся тяжелые радиоактивныеэлементы, которые самопроизвольно распадаются, при этом излучается энергия.Например, превращение урана в торий и затем в свинец, сопровождается выделениемэнергии. Последующий анализ этой гипотезы также показал ее несостоятельность;звезда, состоящая из одного урана, не выделяла бы достаточно энергии дляобеспечения наблюдаемой светимости Солнца. Кроме того, существуют звезды, посветимости во много раз превосходящие светимость нашей звезды. Маловероятно,что в тех звездах запасы радиоактивного вещества будут также больше.

Самойвероятной гипотезой оказалась гипотеза синтеза элементов в результате ядерныхреакций в недрах звезд.

В 1935 году ХансБете выдвинул гипотезу, что источником солнечной энергии может быть термоядернаяреакция превращения водорода в гелий. Именно за это Бете получил Нобелевскуюпремию в 1967 году.

Химическийсостав Солнца примерно такой же, как и у большинства других звезд. Примерно 75 %– это водород, 25 % – гелий и менее 1 % – все другие химические элементы (восновном, углерод, кислород, азот и т.д.). Сразу после рождения Вселенной «тяжелых»элементов не было совсем. Все они, т.е. элементы тяжелее гелия и даже многиеальфа-частицы, образовались в ходе «горения» водорода в звездах притермоядерном синтезе. Характерное время жизни звезды типа Солнца десятьмиллиардов лет.

Основнойисточник энергии – протон-протонный цикл – очень медленная реакция (характерноевремя 7,9∙109 лет), так как обусловлена слабымвзаимодействием. Ее суть состоит в том, что из четырех протонов получается ядрогелия. При этом выделяются пара позитронов и пара нейтрино, а также 26,7 МэВэнергии. Количество нейтрино, излучаемое Солнцем за секунду, определяетсятолько светимостью Солнца. Поскольку при выделении 26,7 МэВ рождается 2 нейтрино,то скорость излучения нейтрино: 1,8∙1038 нейтрино/с. Прямаяпроверка этой теории – наблюдение солнечных нейтрино. Нейтрино высоких энергий(борные) регистрируются в хлор-аргонных экспериментах (эксперименты Дэвиса) иустойчиво показывают недостаток нейтрино по сравнению с теоретическим значениемдля стандартной модели Солнца. Нейтрино низких энергий, возникающиенепосредственно в рр-реакции, регистрируются в галлий-германиевых экспериментах(GALLEX в Гран Сассо (Италия – Германия) и SAGE на Баксане (Россия – США)); ихтакже «не хватает».

По некоторымпредположениям, если нейтрино имеют отличную от нуля массу покоя, возможныосцилляции (превращения) различных сортов нейтрино (эффект Михеева – Смирнова –Вольфенштейна) (существует три сорта нейтрино: электронное, мюонное и тауонноенейтрино). Т.к. другие нейтрино имеют гораздо меньшие сечения взаимодействия свеществом, чем электронное, наблюдаемый дефицит может быть объяснен, не меняястандартной модели Солнца, построенной на основе всей совокупностиастрономических данных.

Каждуюсекунду Солнце перерабатывает около 600 миллионов тонн водорода. Запасовядерного топлива хватит еще на пять миллиардов лет, после чего оно постепеннопревратится в белый карлик.

Центральныечасти Солнца будут сжиматься, разогреваясь, а тепло, передаваемое при этомвнешней оболочке, приведет к ее расширению до размеров, чудовищных по сравнениюс современными: Солнце расширится настолько, что поглотит Меркурий, Венеру ибудет тратить «горючее» в сто раз быстрее, чем в настоящее время. Этоприведет к увеличению размеров Солнца; наша звезда станет красным гигантом,размеры которого сравнимы с расстоянием от Земли до Солнца!

Мы, конечно,будем заранее поставлены в известность о таком событии, поскольку переход кновой стадии займет примерно 100–200 миллионов лет. Когда температурацентральной части Солнца достигнет 100 000 000 К, начнет сгорать и гелий,превращаясь в тяжёлые элементы, и Солнце вступит в стадию сложных циклов сжатияи расширения. На последней стадии наша звезда потеряет внешнюю оболочку,центральное ядро будет иметь невероятно большую плотность и размеры, как уЗемли. Пройдет еще несколько миллиардов лет, и Солнце остынет, превратившись вбелый карлик.

3.Проблемы управляемого термоядерного синтеза

Исследователи всехразвитых стран связывают надежды на преодоление грядущего энергетическогокризиса с управляемой термоядерной реакцией. Такая реакция - синтез гелия издейтерия и трития - миллионы лет протекает на Солнце, а в земных условиях еевот уже пятьдесят лет пытаются осуществить в гигантских и очень дорогихлазерных установках, токамаках (устройство для осуществления реакции термоядерного синтеза в горячейплазме) и стеллараторах(замкнутая магнитнаяловушка для удержания высокотемпературной плазмы). Однако есть и другие пути решения этой непростойзадачи, и вместо огромных токамаков для осуществления термоядерного синтезаможно будет, вероятно, использовать довольно компактный и недорогой коллайдер - ускоритель на встречных пучках.

Для работы Токамака необходимоочень небольшое количество лития и дейтерия. Например, реактор с электрическоймощностью 1 ГВт сжигает около 100 кг дейтерия и 300 кг лития в год. Если предположить, что все термоядерные электростанции будут производить 10 трлн.кВт/ч электроэнергии в год, то есть столько же, сколько сегодня производят всеэлектростанции Земли, то мировых запасов дейтерия и лития хватит на то, чтобыснабжать человечество энергией в течение многих миллионов лет.

Кроме слияния дейтерия илития возможен чисто солнечный термояд, когда соединяются два атома дейтерия. Вслучае освоения этой реакции энергетические проблемы будут решены сразу инавсегда.

В любом из известныхвариантов управляемого термоядерного синтеза (УТС) термоядерные реакции немогут войти в режим неконтролируемого нарастания мощности, следовательно, такимреакторам не присуща внутренняя безопасность.

С физической точки зрениязадача формулируется несложно. Для осуществления самоподдерживающейся реакцииядерного синтеза необходимо и достаточно соблюсти два условия.

1. Энергия, участвующих вреакции ядер, должна составлять не менее 10 кэВ. Чтобы пошел ядерный синтез,участвующие в реакции ядра должны попасть в поле ядерных сил, радиус действиякоторых 10-12-10-13 с.см. Однако атомные ядра обладают положительнымэлектрическим зарядом, а одноименные заряды отталкиваются. На рубеже действияядерных сил энергия кулоновского отталкивания составляет величину порядка 10кэВ. Чтобы преодолеть этот барьер, ядра при столкновении должны иметькинетическую энергию, по крайней мере не меньше данной величины.

2. Произведениеконцентрации реагирующих ядер на время удержания, в течение которого онисохраняют указанную энергию, должно быть не менее 1014 с.см-3. Это условие - так называемый критерий Лоусона - определяет предел энергетической выгодностиреакции. Чтобы энергия, выделившаяся в реакции синтеза, хотя бы покрываларасходы энергии на инициирование реакции, атомные ядра должны претерпеть многостолкновений. В каждом столкновении, при котором происходит реакция синтезамежду дейтерием (D) и тритием (Т), выделяется 17,6 МэВ энергии, т. е. примерно3.10-12 Дж. Если, например, на поджиг затрачивается энергия 10 МДж, то реакциябудет неубыточной, если в ней примут участие не менее 3.1018 пар D-T. А дляэтого довольно плотную плазму высокой энергии нужно удерживать в реакторедостаточно долго. Такое условие и выражается критерием Лоусона.

Если удастся одновременновыполнить оба требования, проблема управляемого термоядерного синтеза будетрешена.

Однако техническаяреализация данной физической задачи сталкивается с огромными трудностями. Ведьэнергия 10 кэВ - это температура 100 миллионов градусов. Вещество при такойтемпературе удержать в течение даже долей секунды можно только в вакууме,изолировав его от стенок установки.

Но существует и другойметод решения этой проблемы – холодный термояд. Что такое холодный термояд - это аналог «горячей» термоядерной реакции проходящий при комнатнойтемпературе.

В природе существует какминимум, два способа изменения материи внутри одной мерности континуума. Можновскипятить воду на огне, т.е. термически, а можно в СВЧ печи, т.е. частотно.Результат один – вода закипает, разница лишь в том, что частотный метод болеебыстрый. Также используется достижение сверхвысокой температуры, чтобырасщепить ядро атома. Термический способ даёт неуправляемую ядерную реакцию.Энергия холодного термояда – энергия переходного состояния. Одним из основныхусловий конструкции реактора для проведения реакции холодного термояда естьусловие его пирамидально – кристаллической формы. Другим важным условием естьналичие вращающегося магнитного и торсионного полей. Пересечение полейпроисходит в точке неустойчивого равновесия ядра водорода.

Учёные Рузи Талейархан изОк-Риджской Национальной Лаборатории, Ричард Лейхи из ПолитехническогоУниверситета им. Ренссилира и академик Роберт Нигматулин - зафиксировали влабораторных условиях холодную термоядерную реакцию.

Группа использоваламензурку с жидким ацетоном размером с два-три стакана. Сквозь жидкостьинтенсивно пропускались звуковые волны, производя эффект, известный в физикекак акустическая кавитация, следствием которой является сонолюминесценция. Вовремя кавитации в жидкости появлялись маленькие пузыри, которые увеличивалисьдо двух миллиметров в диаметре и взрывались. Взрывы сопровождались вспышкамисвета и выделением энергии т.е. температура внутри пузырьков в момент взрывадостигала 10 миллионов градусов по Кельвину, а выделяемой энергии, поутверждению экспериментаторов, достаточно для осуществления термоядерногосинтеза.

«Технически»суть реакции заключается в том, что в результате соединения двух атомовдейтерия образуется третий - изотоп водорода, известный как тритий, и нейтрон,характеризующийся колоссальным количеством энергии.

3.1 Экономическиепроблемы

При создании УТСпредполагается, что это будет крупная установка, оснащенная мощнымикомпьютерами. Это будет целый маленький город. Но в случае аварии или поломкиоборудования, работа станции будет нарушена.

Это не предусмотренонапример в современных проектах АЭС. Считается что главное их построить, а чтобудет потом не важно.

Но в случае отказа 1станции много городов останется без электроэнергии. Это можно наблюдать напримере АЭС в Армении. Вывоз радиоактивных отходов стал очень дорог. Потребованию зеленых АЭС была закрыта. Население осталось без электроэнергии,оборудование электростанции износилось, а деньги выделенные международнымиорганизациями на восстановление были растрачены.

Серьезной экономическойпроблемой является дезактивация заброшенных производств, где производиласьпереработка урана. Например «в городе Актау - собственный маленький»чернобыль". Он расположен на территориихимико-гидрометаллургического завода (ХГМЗ). Излучение гамма-фона в цехе попереработке урана (ГМЦ) местами достигает 11000 микрорентген в час, среднийуровень фона - 200 микрорентген (Обычный естественный фон от 10 до 25микрорентген в час). После остановки завода здесь вообще не проводиласьдезактивация. Значительная часть оборудования, около пятнадцати тысяч тонн,имеет уже неснимаемую радиоактивность. При этом столь опасные предметы хранятсяпод открытым небом, плохо охраняются и постоянно растаскиваются с территорииХГМЗ.

Поэтому раз не существуетвечных производств, в связи с появлением новых технологий УТС может бытьзакрыта и тогда предметы, металлы c предприятия попадут на рынок и пострадаетместное население.

В системе охлаждения УТСбудет использоваться вода. Но по данным экологов, если брать статистику по АЭС,вода из этих водоемов не пригодна для питья.

По данным экспертов,водоем полон тяжелых металлов (в частности, тория-232), и в некоторых местахуровень гамма-излучения достигает 50 - 60 микрорентген в час.

То есть сейчас, пристроительстве АЭС не предусматриваются средства, которые бы возвращалиместность в первоначальное состояние. И после закрытия предприятия никто незнает как захоронить накопившиеся отходы и очистить бывшее предприятие.

3.2 Медицинскиепроблемы

К вредным воздействиямУТС относится выработка мутантов вирусов и бактерий, вырабатывающих вредныевещества. Особенно это касается вирусов и бактерий, находящихся в телечеловека. Появление злокачественных опухолей и заболевания раком, будет скореевсего распространенным заболеванием жителей поселков, живущих рядом с УТС.Жители всегда больше страдают, так как у них нет никаких средств защиты.Дозиметры дороги, а лекарства недоступны. Отходы от УТС будут сбрасывать вреки, стравливать в воздух или закачивать в подземные пласты, что происходитсейчас на АЭС.

Помимо повреждений,проявляющихся вскоре после облучения в больших дозах, ионизирующее излучениевызывает отдаленные последствия. В основном канцерогенез и генетическиенарушения, которые могут возникнуть при любых дозах и характере облучения(разовом, хроническом, локальном).

По сообщениям от врачей,которые регистрировали заболевания работников АЭС, сначала идут сердечнососудистые заболевания(инфаркты), затем рак. Сердечная мышца истончается поддействием радиации, становиться дряблой, менее прочной. Встречаются совсемнепонятные заболевания. Например отказ работы печени. Но почему это происходит,никто из врачей до сих пор не знает. При попадании радиоактивных веществ приаварии в дыхательные пути врачи вырезают поврежденные ткани легкого и трахеи иинвалид ходит с переносным устройством, для дыхания

4. Заключение

Человечеству нужнаэнергия, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с темзапасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Конечнытакже и запасы ядерного топлива - урана и тория, из которого можно получить вреакторах-размножителях плутоний. Практически неисчерпаемы запасы термоядерноготоплива – водорода.

В1991 году впервые удалось получить существенное количество энергии - приблизительно1.7 миллион ватт в результате управляемого ядерного синтеза в Объединеннойевропейской лаборатории (Торус). В декабре 1993 года, исследователи вПринстонском университете использовали реактор типа токамак для реакциисинтеза, чтобы произвести управляемую ядерную реакцию, выделенная энергияравнялась 5.6 миллионов ватт. Однако, и в реакторе типа токамак и в лабораторииТорус затратили большее количество энергии, чем было получено.

Еслиполучение энергии ядерного синтеза станет практически доступным, то это дастбезграничный источник топлива

5. Список литературы

1)Журнал«Новый взгляд» (Физика; Для будущей элиты).

2)УчебникФизики 11 класс.

3)Академияэнергетика (аналитика; идеи; проекты).

4) Люди и атомы (Уильям Лоуренс).

5) Элементы вселенной (Сиборг иВэленс).

6) Советский ЭнциклопедическийСловарь.

7) Энциклопедия Encarta 96.

8) Астрономия- www.college.ru./astronomy.

Лекция № 2.

Пути решения проблемы термоядерного синтеза

Основные направления исследований по ядерному синтезу: а) системы с магнитным удержанием;

б) квазистационарные (открытые и закрытые); импульсные; в) системы с инерциальным удержанием (лазерные, с различными пучками, с сжимающейся оболочкой).

К настоящему времени сформировались два в значительной мере независимых подхода к решению проблемы управляемого термоядерного синтеза. Первый из них основан на возможности удержания и термоизоляции высокотемпературной плазмы относительно низкой плотности магнитным полем специальной конфигурации в течение сравнительно длительного времени (1-10 с).

Другой путь импульсный. При импульсном подходе необходимо быстро нагреть и сжать малые порции вещества до таких температур и плотностей, при которых термоядерные реакции успевали бы эффективно протекать за время существования ничем не удерживаемой или, как говорят, инерциально удерживаемой плазмы. Оценки показывают, что, для того чтобы сжать вещество до плотностей 100-1000 г/см 3 и нагреть его до температуры 5-10 кэВ, необходимо создать давление на поверхности сферической мишени 10 9 атм, то есть нужен источник, который позволял бы подвести к поверхности мишени энергию с плотностью мощности 10 15 Вт/см 2 .

Магнитное удержание плазмы.

Пусть температура плазмы T и концентрации взаимодействующих частиц n 1 и n 2 . Если скорость данного иона относительно второго есть v 1,2 , то вероятность того, что данный ион прореагирует за 1 секунду с каким-либо из ионов второго рода, дается выражением  v 1,2 n 2 . Здесь  - эффективное сечение реакции синтеза, величина, быстро растущая со скоростью. Если бы все n 1 ионов первого рода обладали одной и той же скоростью v 1,2 , то общее число реакций, происходящих в 1 см 3 плазмы за 1 сек, определялось бы равенством: N 1,2 = n 1 n 2  v 1,2 . При заданной температуре произведение должно быть усреднено по максвелловскому распределению. Обозначая через энергию, выделяющуюся при каждом акте реакции, получим выражение для удельной мощности в виде W =n 1 n 2 <  v> Зависимость  (v) для рассматриваемых реакций известна, следовательно, величина <  v> может быть вычислена, а вместе с ней может быть найдена и удельная мощность W при любой температуре и плотности плазмы.
Численные оценки показывают, что величина W быстро растет с температурой, при температуре "горения" в несколько сотен миллионов градусов и при плотности плазмы ~10 15 см -3 она составляет около 10 5 квт/м 3 . Повышение температуры и плотности приводит к более энергонапряженным режимам, при которых должны прогрессивно возрастать технические трудности в реализации проекта. Более "мягкие" режимы приводят, при не слишком малой общей мощности термоядерного реактора, к очень большим размерам системы. Таким образом, взятые значения представляют собой разумный технический компромисс между противоречивыми требованиями. Заметим еще, что использованные оценки относятся к дейтериевой плазме; для равнокомпонентной смеси дейтерия и трития оптимальные "рабочие" температуры ниже.
Далее возникает следующий естественный вопрос: каким образом могут быть созданы указанные условия в зоне реакции? Точнее: как нагреть плазму до необходимых чрезвычайно высоких температур и как удержать нагретые частицы от разлета в течение времени, достаточного для протекания ядерных реакций? Главная трудность связана, по-видимому, со второй частью вопроса. Энергия, которая должна быть сообщена заданному объему плазмы с известной плотностью для ее нагревания до 10 8 K, представляет собой весьма скромную величину; она равна энергии, которую надо затратить, чтобы нагреть такой же объем воды всего на 1 K. Напротив, потоки частиц (и тепла) от зоны реакции к периферии будут огромны. Необходимо эффективно удерживать частицы в зоне реакции.
Основная идея, которая определила путь решения проблемы управляемого синтеза, состоит в использовании принципа магнитной термоизоляции. В Советском Союзе эта идея была высказана еще в 1950 г. А. Д. Сахаровым и И. Е. Таммом.
Коэффициент диффузии, а вместе с ним и коэффициент теплопроводности уменьшается на много порядков величины, если перемещение частиц происходит в направлении, перпендикулярном к сильному магнитному полю. Поэтому, если зона реакции отделена от стенок сильным магнитным полем, то можно надеяться на радикальное сокращение тепловых потоков. Величина удерживающего поля может быть найдена из равенства магнитного и газокинетического давления: H 2 /8  =nk(T e +T i ).
Для плазмы с выбранными параметрами (n~10 15 см -3 , T~10 8 K), необходимое для удержания поле должно составлять 25-30 килоэрстед. Эти большие величины отнюдь не выходят за пределы технических возможностей.
Мы говорим все время о теплопередаче в плазме поперек магнитного поля, но не следует забывать, что тепловые потоки вдоль силовых линий магнитного поля остаются незамагниченными; необходимо затруднить уход частиц и в этом направлении. Здесь открываются три возможности. Первая из них состоит в помещении плазмы в магнитную ловушку, т. е. в магнитное поле такой конфигурации, где оно усилено в областях ухода силовых линий из зоны реакции, в районе их пересечения со стенками; Вторая возможность состоит в ликвидации открытых концов силовых линий путем их сворачивания в кольцо. Наконец, третий путь состоит в использовании плазмы с относительно большой плотностью и в настолько быстром ее нагревании, что за время ухода вдоль силовых линий основная масса частиц успевает испытать ядерные столкновения.
Первая схема термоизоляции полностью себя оправдывает, если речь идет об удержании столь редкой плазмы, что ее можно рассматривать как собрание отдельных частиц. Большие времена жизни частиц в радиационных поясах Земли естественного и искусственного происхождения служат хорошим примером сказанному. Однако, в лабораторных опытах, выполненных с более плотной плазмой, т. е. в условиях, когда могут проявляться коллективные взаимодействия, обнаружились серьезные трудности. Времена жизни плазмы оказались на много порядков величины меньшими тех, которые можно было ожидать в результате столкновений плазменных частиц между собой или с молекулами остаточного газа и последующего ухода в конус потерь. Фактически времена жизни плазмы в некоторых моделях открытых ловушек составляли около 100 микросекунд (при плотности плазмы около 10 -9 см -3 ), тогда как времена жизни, обусловленные уходом в конус потерь, должны были измеряться минутами.
Этот результат качественно станет яснее, если учесть, что плазма, как всякий диамагнетик, должна выталкиваться из области более сильного поля. С этой точки зрения механизм действия магнитных пробок, удерживающих плазму внутри ловушки, вполне понятен. Но в ловушках рассматриваемого типа имеются также области, где поле убывает по мере удаления от оси по радиусу; здесь можно ожидать развития неустойчивости - появления плазменных "языков" или "желобков", перемещающихся поперек поля и переносящих плазму в сторону меньших значений поля. И действительно, прямые эксперименты указали на существование в этих ловушках неустойчивости "желобкового" типа, которая ограничивает время жизни плазмы.
Замыкая силовые линии, мы естественным образом приходим к установка типа кольцевого соленоида. Теперь магнитное поле повсюду ориентировано параллельно стенкам, и частицам, чтобы покинуть систему, надо двигаться поперек силовых линий. Но магнитное поле внутри тора слегка неоднородно, оно спадает к внешней стенке тора, что вызывает дрейф частиц. Дрейф в неоднородном магнитном поле происходит по нормали к направлению основного поля и к направлению его градиента и зависит от заряда частиц. Если ионы дрейфуют к верхней стенке тора, то электроны будут оседать на дно. Разделившиеся заряды создадут электрическое поле, и плазма, тем или иным способом образованная внутри тора, начнет, как целое, дрейфовать в скрещенных электрических и магнитных полях. Легко проверить, что окончательным итогом будет перемещение плазмы к внешней стенке тора.
Для компенсации этого дрейфа плазмы существуют различные способы. Можно пропускать через плазму продольный кольцевой ток, можно специальным образом усложнить соленоидальную обмотку или, скрутив тор, придать магнитной системе форму восьмерки. Топология магнитного поля во этих случаях меняется радикально.
Простейшие магнитные поля - постоянного магнита, прямого тока плоского контура, приводят как известно, в силу уравнения divB=0 к привычным картинам замкнутых силовых линий или линий, уходящих на бесконечность. Существует, однако, третья возможность, фактически наиболее общая: силовые линии могут оставаться в ограниченной области пространства, не замыкаясь и не уходя на бесконечность.

В приведенных примерах в результате деформации тороидальной магнитной системы и происходит преобразование замкнутых силовых линий - колец - в бесконечные силовые линии, непрерывно обвивающие кольцевую тороидальную ось и формирующие так называемые магнитные поверхности. Силовые линии, проходившие на различных расстояниях от оси тора, порождают (в простейшем случае) совокупность вложенных друг в друга коаксиальных магнитных поверхностей. В результате любая точка сечения тора оказывается соединенной с любой другой точкой сечения (равноудаленной от оси) силовой линией, принадлежащей к той или иной магнитной поверхности. Это означает, что перераспределение зарядов по сечению может осуществляться не поперек магнитного поля, а вдоль силовых линий. Поэтому накопление разноименных зарядов, а следовательно, и дрейф в скрещенных полях оказываются исключенными.
Варианты тороидальных систем с продольным током начали разрабатываться в Советском Союзе (установки типа "Токамак"), два других направления начали исследоваться в США (установки типа "Стелларатор").

В токамаках продольное магнитное поле создается катушками, которые могут питаться генератором с импульсной мощностью до 75 МВт. Вакуумные условия: начальное давление остаточных газов около 10 -8 мм рт. ст. Камера Токамака надета на железный сердечник и возникающий плазменный виток служит вторичной обмоткой импульсного трансформатора. Нагревание плазмы происходит за счет джоулева тепла, сильное продольное поле служит стабилизирующим каркасом. Полученные в токамаках параметры плазмы хотя и являются обнадеживающими, все еще сильно отличаются от тех, на которые можно было бы рассчитывать в случае идеально замагниченной плазмы. В частности, сравнительно небольшое время жизни указывает на существование неликвидированных типов неустойчивости, а следовательно, и на повышенную скорость диффузии.
Исследования на установках стеллараторного типа привели пока к более скромным результатам. Несмотря на длительность эксперимента и превосходные инженерные параметры системы, и в этом случае не удалось преодолеть неустойчивость плазмы. Диффузионные потоки на стенки во много раз превышают классические.

Был еще вариант решения проблемы термоядерного синтеза магнитным удержанием импульсный. Здесь функции термоизоляции и нагревания плазмы возлагались на кратковременный импульс тока, который пропускается через разреженный дейтерий. За счет взаимодействия тока с собственным магнитным полем должно происходить сжатие плазменного шнура к оси разряда. Плазма оказывается отделенной от стенок сосуда собственным магнитным полем и должна нагреваться за счет работы сил сжатия и за счет джоулева тепла. На начальной стадии исследования предполагалось, что процесс сжатия квазистационарен, что в каждый момент времени магнитное давление, сжимающее плазму, уравновешивается газовым давлением. Температура вещества должна возрастать пропорционально квадрату силы тока, и численные оценки показывают, что при силе тока около 1 миллиона ампер, начальном давлении в 0,1 мм рт. ст. и диаметре сосуда в 200 мм температура плазменного шнура должна превышать 10 7 К. Правда, температура повысится на весьма короткое время (около 1 микросекунды), но в сильно сжатом плазменном шнуре будут происходить очень частые столкновения и можно рассчитывать на регистрацию нейтронного излучения от происходящих ядерных реакций.
В действительности картина квазистационарного сжатия оказывается грубо ошибочной. На начальной стадии процесса, после пробоя газового столба приложенным высоким напряжением, быстро нарастающий ток сосредоточивается в тонком поверхностном слое (скин-эффект). Внутренняя область столба почти не ионизована и не нагрета, газовое давление пренебрежимо мало и стягивание плазменной корочки к оси системы можно рассматривать с учетом одних сил инерции. В течение всего сжатия нет равновесия между газовым и магнитным давлением. Шнур стягивается к оси раньше, чем ток (а вместе с ним и магнитное давление) достигает максимума, но не остается в сжатом состоянии, а под действием тех же сил инерции начинает снова расширяться. Мало того, шнур неустойчив (вне шнура поле меняется как 1/r) и в результате развития макроскопических деформаций (перетяжки, изгибы) он касается стенок камеры, охлаждая и загрязняя плазму.
Замечательно, что нейтронное излучение плазмы при импульсном разряде в дейтерии все же наблюдалось. Это интересное явление было открыто группой советских физиков еще в 1952 г. Нейтронное излучение появляется не в результате нагревания всего имеющегося плазменного объема, а оказывается следствием столкновений малочисленной группы быстрых дейтонов, возникших в результате сложных ускорительных процессов в неустойчивом шнуре, с основной массой сравнительно холодной плазмы.
Увеличивая энергонапряженность системы, можно нагреть плазменный шнур до необходимых термоядерных температур к моменту первого сжатия шнура около оси и до начала развития неустойчивости. Однако для достижения условий, необходимых для получения термоядерной реакции с положительным энергетическим выходом, в предполагаемых опытах потребуется сосредоточение в импульсном разряде огромной энергии - около: 10 4 Мдж. Современная техника допускает сооружение импульсных установок на сотни мегаджоулей. Существуют конденсаторы, обладающие исключительно малой индуктивностью, разработаны низкоиндуктивные фидеры и весьма совершенные коммутационные устройства. Тем самым путь для дальнейшего прогресса в этом направлении открыт, но процесс приобретает характер мощного взрыва, эквивалентного по мощности взрыву нескольких тонн тротила, что совсем не похоже на плавно регулируемые управляемые термоядерные реакции.
В настоящее время работы с магнитными ловушками открытого типа с точки зрения решения проблемы термоядерного синтеза практически прекратились. Как показывают детальные расчеты, если потери частиц из ловушки всего в несколько раз превысят теоретический уровень, отвечающий полностью замагниченной теплопроводности, то осуществление термоядерного реактора с положительным энергетическим выходом становится невозможным.
Развитие импульсных процессов, по-видимому, достигло естественного предела, если иметь в виду реактор в качестве конечной цели. Но дальнейшие эксперименты могут привести к построению импульсных нейтронных источников огромной мощности. Своеобразным отходом от этих исследований явилось построение систем, предназначенных для ускорения сгустков плазмы.

Замкнутые магнитные системы представляются в настоящее время наиболее перспективными.

Лазерный термоядерный синтез.

Впервые идея использования мощного лазерного излучения для нагрева плотной плазмы до термоядерных температур была высказана Н.Г. Басовым и О.Н. Крохиным в начале 60-х годов. К настоящему времени сформировалось самостоятельное направление термоядерных исследований - лазерный термоядерный синтез (ЛТС).

Остановимся кратко на том, какие основные физические принципы заложены в концепцию достижения высоких степеней сжатия веществ и получения больших коэффициентов усиления по энергии с помощью лазерных микровзрывов. Рассмотрение построим на примере так называемого режима прямого сжатия. В этом режиме микросфера, наполненная термоядерным топливом, со всех сторон "равномерно" облучается многоканальным лазером. В результате взаимодействия греющего излучения с поверхностью мишени образуется горячая плазма с температурой в несколько килоэлектронвольт (так называемая плазменная корона), разлетающаяся навстречу лучу лазера с характерными скоростями 10 7 -10 8 см/с.

Не имея возможности более детально остановиться на процессах поглощения в плазменной короне, отметим, что в современных модельных экспериментах на уровне энергий лазерного излучения 10-100 кДж для мишеней, сравнимых по размерам с мишенями для больших коэффициентов усиления, удается достичь высоких (90%) коэффициентов поглощения греющего излучения.

Световое излучение не может проникнуть в плотные слои мишени (плотность твердого тела составляет 10 23 см -3 ). За счет теплопроводности энергия, поглощенная в плазме с электронной плотностью, меньшей n кр , передается в более плотные слои, где происходит абляция вещества мишени. Оставшиеся неиспаренными слои мишени под действием теплового и реактивного давления ускоряются к центру, сжимая и нагревая находящееся в ней топливо. В итоге энергия лазерного излучения превращается на рассматриваемой стадии в кинетическую энергию вещества, летящего к центру, и в энергию разлетающейся короны. Очевидно, что полезная энергия сосредоточена в движении к центру. Эффективность вклада световой энергии в мишень характеризуется отношением указанной энергии к полной энергии излучения - так называемым гидродинамическим коэффициентом полезного действия (КПД). Достижение достаточно высокого гидродинамического КПД (10-20%) является одной из важных проблем ЛТС.

Какие же процессы могут препятствовать достижению высоких степеней сжатия? Один из них заключается в том, что при термоядерных плотностях излучения q > 10 14 Вт/см 2 заметная доля поглощенной энергии трансформируется не в классическую волну электронной теплопроводности, а в потоки быстрых электронов, энергия которых много больше температуры плазменной короны (так называемые надтепловые электроны). Это может происходить как за счет резонансного поглощения, так и вследствие параметрических эффектов в плазменной короне. При этом длина пробега надтепловых электронов может оказаться сравнимой с размерами мишени, что приведет к предварительному прогреву сжимаемого топлива и невозможности получения предельных сжатий. Большой проникающей способностью обладают и рентгеновские кванты большой энергии (жесткое рентгеновское излучение), сопутствующие надтепловым электронам.

Тенденцией экспериментальных исследований последних лет является переход к использованию коротковолнового лазерного излучения (< 0,5 мкм) при умеренных плотностях потока (q < 10 15 Вт/см 2 ). Практическая возможность перехода к нагреву плазмы коротковолновым излучением связана с тем, что коэффициенты конверсии излучения твердотельного неодимого лазера (основного кандидата в драйверы для ЛТС) с длиной волны l = 1,06 мкм в излучения второй, третьей и четвертой гармоник с помощью нелинейных кристаллов достигает 70-80%. В настоящее время фактически все крупные лазерные установки на неодимовом стекле снабжены системами умножения частоты.

Физической причиной преимущества использования коротковолнового излучения для нагрева и сжатия микросфер является то, что с уменьшением длины волны увеличивается поглощение в плазменной короне и возрастают абляционное давление и гидродинамический коэффициент передачи. На несколько порядков уменьшается доля надтепловых электронов, генерируемых в плазменной короне, что является чрезвычайно выгодным для режимов как прямого, так и непрямого сжатия. Для непрямого сжатия принципиально и то, что с уменьшением длины волны увеличивается конверсия поглощенной плазмой энергии в мягкое рентгеновское излучение.

Остановимся теперь на режиме непрямого сжатия. Физический анализ показывает, что осуществление режима сжатия до высоких плотностей топлива оптимально для простых и сложных оболочечных мишеней с аспектным отношением R / DR в несколько десятков. Здесь R - радиус оболочки, DR - ее толщина. Однако сильное сжатие может быть ограничено развитием гидродинамических неустойчивостей, которые проявляются в отклонении движения оболочки на стадиях ее ускорения и торможения в центре от сферической симметрии и зависят от отклонений начальной формы мишени от идеально сферической, неоднородного распределения падающих лазерных лучей по ее поверхности. Развитие неустойчивости при движении оболочки к центру приводит сначала к отклонению движения от сферически-симметричного, затем к турбулизации течения и в конце концов к перемешиванию слоев мишени и дейтериево-тритиевого горючего. В результате в конечном состоянии может возникнуть образование, форма которого резко отличается от сферического ядра, а средние плотность и температура значительно ниже величин, соответствующих одномерному сжатию. При этом начальная структура мишени (например, определенный набор слоев) может быть полностью нарушена.

Физическая природа такого типа неустойчивости эквивалентна неустойчивости слоя ртути, находящегося на поверхности воды в поле тяжести. При этом, как известно, происходит полное перемешивание ртути и воды, то есть в конечном состоянии ртуть окажется внизу. Аналогичная ситуация и может происходить при ускоренном движении к центру вещества мишени, имеющей сложную структуру, или в общем случае при наличии градиентов плотности и давления.

Требования к качеству мишеней достаточно жестки. Так, неоднородность толщины стенки микросферы не должна превышать 1%, однородность распределения поглощения энергии по поверхности мишени 0,5%.

Предложение использовать схему непрямого сжатия как раз и связано с возможностью решить проблему устойчивости сжатия мишени. Излучение лазера заводится в полость, фокусируясь на внутренней поверхности внешней оболочки, состоящей из вещества с большим атомным номером, например золота. Как уже отмечалось, до 80% поглощенной энергии трансформируется в мягкое рентгеновское излучение, которое нагревает и сжимает внутреннюю оболочку. К преимуществам такой схемы относятся возможность достижения более высокой однородности распределения поглощенной энергии по поверхности мишени, упрощение схемы лазера и условий фокусировки и т.д. Однако имеются и недостатки, связанные с потерей энергии на конверсию в рентгеновское излучение и сложностью ввода излучения в полость.

В настоящее время интенсивно разрабатывается элементная база и создаются проекты лазерных установок мегаджоульного уровня. В Ливерморской лаборатории начато создание установки на неодимовом стекле с энергией Е = 1,8 МДж. Стоимость проекта составляет 2 млрд долл. Создание установки аналогичного уровня запланировано и во Франции. На этой установке планируется достижение коэффициента усиления по энергии Q ~ 100. Нужно сказать, что запуск установок такого масштаба не только приблизит возможность создания термоядерного реактора на основе лазерного термоядерного синтеза, но и предоставит в распоряжение исследователей уникальный физический объект - микровзрыв с энерговыделением 10 7 -10 9 Дж, мощный источник нейтронного, нейтринного, рентгеновского и g-излучений. Это будет иметь не только большое общефизическое значение (возможность исследовать вещества в экстремальных состояниях, физики горения, уравнения состояния, лазерных эффектов и т.д.), но и позволит решить специальные задачи прикладного, в том числе военного, характера.

Для реактора на основе лазерного термоядерного синтеза необходимо, однако, создание лазера мегаджоульного уровня, работающего с частотой повторения в несколько герц. В ряде лабораторий исследуются возможности создания таких систем на основе новых кристаллов. Запуск опытного реактора по американской программе планируется на 2025 год.

Почему так сложно?

Энергия термоядерного синтеза считается потенциальным источником Это чистая энергия атома. Но что же она собой представляет и почему ее так сложно добиться? Для начала следует разобраться с различием между классическим и термоядерным синтезом.

Синтеза заключается в том, что два изотопа водорода - дейтерий и тритий - сливаются в единое целое, образуя неядовитый гелий и единственный нейтрон, не производя радиоактивных отходов.

Проблема контроля

Высокоэнергетичная плазма

Демонстрация возможностей

Термоядерный реактор: меньше и мощнее

Идея новой конструкции заключается в использовании в электромагнитах современных высокотемпературных сверхпроводников, которые проявляют свои свойства при охлаждении жидким азотом, а не обычных, для которых необходим Новая, более гибкая технология позволит полностью изменить конструкцию реактора.

Клаус Хеш, отвечающий за технологии в Технологическом институте Карлсруэ на юго-западе Германии, настроен скептически. Он поддерживает использование новых высокотемпературных сверхпроводников для новых конструкций реакторов. Но, по его словам, что-то разработать на компьютере с учетом законов физики недостаточно. Необходимо принять во внимание вызовы, которые возникают при воплощении идеи на практике.

Научная фантастика

Слишком горячо

Имеет еще большую проблему - так называемый выпуск мощности. Это часть системы, в которую из процесса синтеза поступает использованное топливо, в основном гелий. Первые металлические компоненты, в которые попадает горячий газ, называются «дивертор». Он может нагреваться свыше 2000 °C.

Проблема дивертора

Электростанция через несколько десятилетий

Холодный термоядерный синтез Росси

Росси - мошенник?

Независимая проверка

Судебное разбирательство

Золотая жила

Экспериментальное подтверждение

Тем не менее ряду исследователей - Александру Пархомову из Российского университета дружбы народов и Проекту памяти Мартина Флейшмана (MFPM) - удалось воспроизвести холодный термоядерный синтез Росси. Отчет MFPM назывался «Конец углеродной эры близок». Причиной такого восхищения стало обнаружение которое невозможно объяснить иначе, как термоядерной реакцией. По мнению исследователей, у Росси есть именно то, о чем он говорит.

Так что, возможно, Росси предпочел бы избежать этого подтверждения.