Содержание
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.
Достижениюусловий 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.