Управляемый термоядерный синтез

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГ ОБРАЗОВАНИЯ   РОССИЙСКОЙ ФЕДИРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования  

«Томский государственный педагогический университет»

(ТГПУ)

Физико-математический факультет

Кафедра общей физики

УПРАВЛЯЕМЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ

Реферат

По современным проблемам физики

Томск 2020

1. Введение

Термоядерный синтез называется управляемым, если в контролируемой реакции, из легких атомных ядер получают более тяжелые для возникновения энергии. В традиционной ядерной энергетике, в отличие от управляемого ядерного синтеза, происходит распад тяжелых ядер, и получают более легкие. Для управляемого термоядерного синтеза в основном используют дейтерий и тритий. В дальнейшем планируется использовать гелий-3 и бор-11. В Союзе Советских Социалистических Республик впервые предложил и сформулировал задачу по УТС О.А. Лаврентьев.

2.Типы реакций термоядерного синтеза

Суть термоядерной реакции: несколько ядер атомов пытаются сблизить при помощи различных сил, при условии, что данные силы будут больше, чем  сила отталкивание кулона среди соответствующих ядер, причем заряженных равно. В итоге получается новое атомное ядро. Первичные ядра имеют в сумме большую массу, чем полученное новое. Дело в том, что недостающая масса перешла в энергию, при помощи которой протекала реакция. Данную энергию, которая выделилась, можно рассчитать с помощью известной формулы Эйнштейна, как . Водород является самым популярным элементом для синтеза термоядерных реакций из-за своей легкости, что дает более простой способ развести его на нужное расстояние.

Изотопам  трития и дейтерия для синтеза термоядерной реакции нужно гораздо меньше энергии, если сравнивать с получаемой энергией, которая выделяется при самой реакции. Не смотря на популярность и эффективность данной связки изотопов, существуют так же множество и других реакций за счет легкости их изготовления, проведения, надежным контролем проведения реакции или, важнейший показатель, выделение меньшего числа нейтронов. Например, существуют реакции, которые проходят без выделения нейтронов их называют безнейтронными. Такие реакции могли бы быть успешными, так как в них нет загрязнения от радиоактивных материалов, а сам реактор имеет более длинный срок эксплуатации и меньшие затраты на его содержание. Однако главной проблемой из-за чего такие  термоядерные реакции не популярны, является сложность в контролировании и управлении, что очень важно для использования данного горючего в близи с человеческим обществом, потому что может возникнуть непредвиденная ситуация.  

В зависимости от химических элементов входящих в топливо, УТС имеет разные типы реакций:

Как уже было сказано выше, тритий и дейтерий, простейшая реакция для использования ее в термоядерном синтезе

 с выходом 17,57 МэВ энергии

 Единственный минус такой реакции – это то, что происходит выделение нейтронов с радиацией. В остальном, данная дейтерий-тритий реакция имеет только положительные стороны, а именно, дешевизна самих элементов, а так же, что не менее важно, колоссальный выход энергии.  

Сливаясь, тритий и дейтерий образуют альфа-частицу в виде ядра гелия, а так же выделяют нейтрон с высокой энергией.

Намного труднее, но все же возможно, осуществляется реакция гелия-3 и дейтерия

с выходом 18,35 МэВ энергии

Протекание данной реакции осложнено из-за достижения ее необходимых условий. Помимо этого сам изотоп гелия-3 достаточно редкий элемент, потому что в огромных масштабах на сегодняшний день он не производится, и соответственно является не самым дешевым. Единственное, гелий-3 синтезируется из трития при помощи атомных электростанций.

Для характеризации сложности применения реакции термоядерного синтеза ввели произведение температуры, удержания времени и плотности () . Для сравнения, дейтерий-гелий-3 проходит почти в 100 раз труднее, чем дейтерий-тритий.