На uCrazy 9 лет 8 месяцев
Достижения теоретической и экспериментальной физики: термоядерные реакции, бомба, проблемы термоядерной энергетики
В своем недавнем посте про ядерную энергетику я задал вопрос о том, нужно ли ее развивать дальше? Кто-то на этот вопрос ответил, мол, ты че, братан, тут вон строят термоядерный реактор уже вовсю, а ты задаешься таким вопросом. Вот правда, лично для меня это две принципиально разные области - ядерная энергетика и термоядерная энергетика, - и вопрос задавался именно по первой теме. Ну...тогда давайте теперь поговорим про термоядерную энергетику, и обязательно подведем к вопросу о том, насколько обосновано ее применение именно в мирных целях. Тем более, что в общем-то своеобразные термоядерные реакторы уже есть, и существуют давным-давно, и самый ближайший к нам, на расстоянии всего-то около 150 миллионов километров, эдакий сверхмощный реактор, водородная бомбища диаметром 1,5 миллиона километров, пока что неиссякаемый источник энергии, который мы разными способами черпаем, - это наше солнышко ) Ну ладно, хватит прикалываться, ведь физика - это серьезная наука ) Поехали...
Повторюсь, что процессы термоядерных реакций принципиально отличаются от уже рассмотренных процессов деления тяжелых ядер на более легкие ядерные осколки. Термоядерная же реакция - это синтез легких ядер, процесс их слияния с образованием более тяжелого ядра. Причем реакции синтеза оказываются энергетически выгоднее реакций деления! Удельная энергия связи легких ядер растет быстро, поэтому слияние легких ядер с образованием более тяжелых и более прочных ядер происходит с выделением энергии.
На данный момент хорошо изучены следующие реакции синтеза:
- синтез двух ядер дейтерия-2 ("тяжелого водорода") с образованием гелия-3 и вылетанием сверхбыстрого нейтрона (в короткой форме: D2+D2=He3+n);
- синтез двух ядер дейтерия-2 с образованием трития-3 (еще более тяжелый изотоп водорода) и обычного водорода-1 (D2+D2=T3+H1);
- синтез ядра дейтерия-2 с ядром трития-3 с образованием гелия-4 и вылетанием сверхбыстрого нейтрона (D2+T3=He4+n);
- синтез ядра дейтерия-2 с ядром гелия-3 с образованием гелия-4 и обычного водорода-1 (D2+He3=He4+H1);
- синтез двух ядер трития-3 с образованием гелия-4 и вылетанием двух сверхбыстрых нейтронов (T3+T3=He4+n+n).
Так вот для 3-ей и 4-й из указанных реакций, где получается гелий-4, энерговыделение на 1 нуклон в 4 с лишним раза больше, чем при делении тяжелых ядер! Есть еще одно преимущество - запасы дейтерия (он содержится в морской воде в количестве 1 атом дейтерия на 7000 атомов обычного водорода) значительно превышают запасы делящихся тяжелых изотопов.
Но при осуществлении реакций синтеза существуют и трудности. Они связаны, прежде всего, с наличием кулоновского барьера (электростатическое отталкивание) между ядрами. Допустим, если облучать мишени, содержащие ядра дейтерия или трития, ускоренными дейтронами (это ядро дейтерия), то затраты энергии на ускорение этих дейтронов будут превышать энергетический выход реакций в мишени. Поэтому метод "пучок-мишень" для использования реакции синтеза ядер с целью получения энергии непригоден.
Другой метод осуществления реакций синтеза заключается в нагревании вещества, содержащего легкие ядра, до таких высоких температур, чтобы энергия теплового движения была сравнима хотя бы с половиной высоты кулоновского барьера. Вот такие реакции синтеза и называются термоядерными.
Поговорим кратко о нашем солнышке и других звездах, подобных ему. В каком же состоянии находится вещество в недрах звезд? Вещество там находится в состоянии плазмы. Плазма - это такое состояние газа, в котором все атомы (или их часть) ионизированы. Состояние плазмы наступает при температурах от 10000 Кельвинов и выше. А при температурах более 10 миллионов Кельвинов, как в недрах нашего Солнца (примерно 16 миллионов), плазма - это уже электронно-ядерный газ, т.е. смесь голых ядер и электронов. Еще в первой половине 20 века было установлено, что в недрах Солнца и других звезд идут реакции синтеза легких ядер. И при этом происходит не только выделение энергии, но и образование более тяжелых ядер. В настоящее время установлено, что в звездах типа Солнца энерговыделение осуществляется за счет водородного (протон-протонная реакция) и углеродно-азотного циклов термоядерных реакций (последний не является основным; в основном осуществляется водородный цикл). Итогом этих циклов является образование гелия-4. Но не будем вдаваться в подробности этих процессов, кому интересно, на просторах интернета почитаете или в книжках. Замечу только важный момент, что в указанных циклах часть реакций осуществляется за счет слабого ядерного взаимодействия (бета-распад). Дело в том, что вероятность этих реакций мала (допустим, реакция синтеза двух ядер обычного водорода с образованием дейтерия произойдет 1 раз в 10 миллиардов лет), но если бы слабого взаимодействия не существовало в природе, то тогда был бы невозможен и весь цикл, не было бы Солнца как источника энергии и не было бы жизни на Земле. Ну а такой длительности пугаться, тем не менее, не стоит, потому что масса Солнца огромна и все реакции идут одновременно во всем объеме звезды (за исключением поверхностных слоев). Ну а далее, вы в курсе, что энергия, которая выделяется при осуществлении этих реакций, уравновешивает гравитационное сжатие, наступает такой баланс сил, благодаря чему наше солнышко с одной стороны не разрывается в клочья от идущей из ее недр энергии, а с другой стороны не сжимается в маленький шарик из-за гравитации.
Ну и в звездочках, которые побольше Солнца, у которых температура в недрах уже за 100 миллионов Кельвинов зашкаливает, осуществляются гелиевый и неоновый циклы. Здесь при слиянии трех ядер гелия-4 образуется углерод-6, и при дальнейших реакция углерода с гелием и далее кислорода с гелием образуется неон. Об этом тоже почитаете, кому интересно.
Идем дальше, и подходим к воинственному термоядерному заряду, созданному в свое время в целях уничтожения человечества на планете ) Извиняюсь за черный юмор. В общем, расчеты показали, что из всех указанных выше реакций синтеза с наибольшим эффективным сечением идет реакция синтеза ядра дейтерия с ядром трития с образованием гелия-4 и вылетанием быстрого нейтрона (D2+T3=He4+n). Эта реакция является основной реакцией в термоядерных зарядах, и она же будет основной в будущих термоядерных реакторах любого типа.
Наиболее удобным "термоядерным горючим" для термоядерных зарядов оказался дейтерид лития LiD, который размещается в общей оболочке с ядерным зарядом. При взрыве ядерного заряда возникает поток нейтронов и на короткое время высокая температура (примерно 100 миллионов Кельвинов). Нейтроны при реакции с литием вызывают образование гелия-4 и трития, и уже образовавшийся тритий вступает в реакцию синтеза с ядрами дейтерия с образованием гелия-4 и вылетанием сверхбыстрого нейтрона. Естественно, что все эти процессы сопровождаются энерговыделением. Тепловой разрыв и разлет вещества заряда происходят уже через 1 микросекунду после начала реакции. А вот в советской "Слойке", - первой в мире водородной авиабомбе, испытанной в 1953г., - термоядерный заряд был еще окружен оболочкой из урана-238, который делится на быстрых нейтронах. Что это дало? Вылетевшие при синтезе D2+T3 нейтроны инициировали второй атомный взрыв во внешнем слое урана-238 за счет деления ядер, и этот взрыв еще более интенсифицировал термоядерную реакцию синтеза в пока еще не разлетевшейся термоядерной взрывчатке, в результате чего энергетический вклад именно термоядерного заряда в общий взрыв оказался равным 90%, остальные 10% пришлись на атомный взрыв. Т.е. можно говорить о полноценной термоядерной бомбе, а не о каком-то атомно-термоядерном симбиозе. Мощность взрыва составила 400 килотонн (вместо ожидаемых 100-300 килотонн). Это было очень большим успехом наших ученых.
Ну а теперь переходим к проблемам управляемого термоядерного синтеза. Осуществление управляемого термоядерного синтеза с целью получения энергии является важнейшей научной и инженерной задачей, стоящей сейчас перед человечеством. При том потреблении энергии, которое происходит сейчас, запасы углеводородного топлива иссякнут очень скоро, запасов делящихся материалов может хватить на пару сотен лет. Запасы же дейтерия, как уже говорилось, практически неисчерпаемы. Кроме того, в отличие от процессов в ядерных реакторах, при "сгорании" термоядерного горючего не образуются радиоактивные ядра.
Что такое Термоядерный реактор? Это такая установка, в которой термоядерный синтез осуществляется в замкнутом пространстве и энергия, выделяющаяся при синтезе, превышает энергию, затрачиваемую на поддержание работы установки. Что произойдет, если мы попытаемся нагреть дейтерий, или смесь дейтерия с тритием, до температур более 10 миллионов Кельвинов? Появляется плазма, и давление в замкнутом объеме становится равным примерно 100 тысяч атмосфер! Такое давление не смогут выдержать никакие стенки реактора, и к тому же при соприкосновении разогретой плазмы с любым веществом это вещество просто испарится, а плазма при этом охладится и "загрязнится". Далее, возникает проблема глубокого вакуума, который необходимо осуществить в камере до запуска туда рабочего газа. Но эта проблема на данный момент уже разрешена учеными и инженерами. Следующая проблема - изоляция горячей плазмы от стенок камеры, в которой она создается. Во второй половине 20 века физиками была выдвинута идея изоляции плазмы с помощью магнитных полей, которые обеспечат сжатие плазмы в шнур ("пинч-эффект") и изоляцию шнура от стенок трубки. Но собственного магнитного поля плазменного шнура недостаточно для удержания его от разрушения за счет различного рода необратимых деформаций, указанных на рисунке ниже. Если возникнет перетяжка, как показано слева, шнур разорвется под действием магнитного поля, а в случае изгиба (показано справа) магнитное поле еще больше увеличит деформацию. Поэтому нужно использовать еще и дополнительные внешние стабилизирующие магнитные поля, а во избежание ухода частиц из плазменного столба на торцах камеры должны присутствовать "магнитные пробки". Но необходимость в "магнитных пробках" отпадает, если плазменный шнур имеет форму тора.
Установки с камерами такого типа были разработаны в Курчатовском институте и получили название Токамак - тороидальная камера с магнитной стабилизацией плазмы. В них откаченную до глубокого вакуума камеру заполняют нужным газом, затем индукционным методом возбуждают ток и в камере возникает плазменный виток. Магнитное поле витка неоднородно, поэтому для стабилизации витка используется продольное магнитное поле, создаваемое с помощью обмотки, навитой на внешнюю поверхность камеры. На такой установке была достигнута температура плазмы 100 миллионов Кельвинов, а устойчивый плазменный шнур сохранялся в течение 0,1 секунды. Если газом, заполняющим установку, была смесь дейтерия с тритием, то в плазме происходили реакции синтеза этих ядер, о чем свидетельствовало появление быстрых нейтронов.
Однако такая установка еще не является термоядерным реактором. Почему? Потому что термоядерный реактор по определению должен генерировать энергию, большую, чем энергия, затрачивающаяся на его эксплуатацию. В результате был создан проект интернационального термоядерного реактора на основе токамака - ITER (ИТЭР). Проектом занимаются ученые из разных стран, сейчас он уже строится на юге Франции и после 2020 года планируются первые испытания. Реактор будет работать на смеси дейтерия и трития, процесс их синтеза описывался выше, а ниже приведена схема реактора с силуэтом человека для представления масштабов установки и фото стройплощадки. Об этом проекте тоже много понаписано, можете почитать.
Итак, рано или поздно начнется эпоха производства термоядерной энергии, и встает вопрос - насколько опасна эта деятельность? На самом деле, в плане радиации, термоядерный реактор будет намного безопаснее ядерного реактора. Как уже говорилось, количество радиоактивных веществ в реакторе будет очень мало, да и конструкция реактора разработана таким образом, чтобы препятствовать распространению этого очень малого количества радиоактивных веществ. Ну и в случае какой-то аварии в реакторе энергия, выделившаяся в результате этой аварии, не приведет к разрушению реактора. Добавим ко всему этому доступность топлива для реактора - дейтерия, - и можно говорить о том, что будущее должно быть за производством и использованием термоядерной энергии в мирных целях. Ну а на данный момент мы в маленьких объемах косвенно черпаем термоядерную энергию пока лишь от нашего солнышка и ждем первых испытаний на ITER. О таких возможностях еще всего лишь лет 90 назад и предположить никто не мог!
На данный момент хорошо изучены следующие реакции синтеза:
- синтез двух ядер дейтерия-2 ("тяжелого водорода") с образованием гелия-3 и вылетанием сверхбыстрого нейтрона (в короткой форме: D2+D2=He3+n);
- синтез двух ядер дейтерия-2 с образованием трития-3 (еще более тяжелый изотоп водорода) и обычного водорода-1 (D2+D2=T3+H1);
- синтез ядра дейтерия-2 с ядром трития-3 с образованием гелия-4 и вылетанием сверхбыстрого нейтрона (D2+T3=He4+n);
- синтез ядра дейтерия-2 с ядром гелия-3 с образованием гелия-4 и обычного водорода-1 (D2+He3=He4+H1);
- синтез двух ядер трития-3 с образованием гелия-4 и вылетанием двух сверхбыстрых нейтронов (T3+T3=He4+n+n).
Так вот для 3-ей и 4-й из указанных реакций, где получается гелий-4, энерговыделение на 1 нуклон в 4 с лишним раза больше, чем при делении тяжелых ядер! Есть еще одно преимущество - запасы дейтерия (он содержится в морской воде в количестве 1 атом дейтерия на 7000 атомов обычного водорода) значительно превышают запасы делящихся тяжелых изотопов.
Но при осуществлении реакций синтеза существуют и трудности. Они связаны, прежде всего, с наличием кулоновского барьера (электростатическое отталкивание) между ядрами. Допустим, если облучать мишени, содержащие ядра дейтерия или трития, ускоренными дейтронами (это ядро дейтерия), то затраты энергии на ускорение этих дейтронов будут превышать энергетический выход реакций в мишени. Поэтому метод "пучок-мишень" для использования реакции синтеза ядер с целью получения энергии непригоден.
Другой метод осуществления реакций синтеза заключается в нагревании вещества, содержащего легкие ядра, до таких высоких температур, чтобы энергия теплового движения была сравнима хотя бы с половиной высоты кулоновского барьера. Вот такие реакции синтеза и называются термоядерными.
Поговорим кратко о нашем солнышке и других звездах, подобных ему. В каком же состоянии находится вещество в недрах звезд? Вещество там находится в состоянии плазмы. Плазма - это такое состояние газа, в котором все атомы (или их часть) ионизированы. Состояние плазмы наступает при температурах от 10000 Кельвинов и выше. А при температурах более 10 миллионов Кельвинов, как в недрах нашего Солнца (примерно 16 миллионов), плазма - это уже электронно-ядерный газ, т.е. смесь голых ядер и электронов. Еще в первой половине 20 века было установлено, что в недрах Солнца и других звезд идут реакции синтеза легких ядер. И при этом происходит не только выделение энергии, но и образование более тяжелых ядер. В настоящее время установлено, что в звездах типа Солнца энерговыделение осуществляется за счет водородного (протон-протонная реакция) и углеродно-азотного циклов термоядерных реакций (последний не является основным; в основном осуществляется водородный цикл). Итогом этих циклов является образование гелия-4. Но не будем вдаваться в подробности этих процессов, кому интересно, на просторах интернета почитаете или в книжках. Замечу только важный момент, что в указанных циклах часть реакций осуществляется за счет слабого ядерного взаимодействия (бета-распад). Дело в том, что вероятность этих реакций мала (допустим, реакция синтеза двух ядер обычного водорода с образованием дейтерия произойдет 1 раз в 10 миллиардов лет), но если бы слабого взаимодействия не существовало в природе, то тогда был бы невозможен и весь цикл, не было бы Солнца как источника энергии и не было бы жизни на Земле. Ну а такой длительности пугаться, тем не менее, не стоит, потому что масса Солнца огромна и все реакции идут одновременно во всем объеме звезды (за исключением поверхностных слоев). Ну а далее, вы в курсе, что энергия, которая выделяется при осуществлении этих реакций, уравновешивает гравитационное сжатие, наступает такой баланс сил, благодаря чему наше солнышко с одной стороны не разрывается в клочья от идущей из ее недр энергии, а с другой стороны не сжимается в маленький шарик из-за гравитации.
Ну и в звездочках, которые побольше Солнца, у которых температура в недрах уже за 100 миллионов Кельвинов зашкаливает, осуществляются гелиевый и неоновый циклы. Здесь при слиянии трех ядер гелия-4 образуется углерод-6, и при дальнейших реакция углерода с гелием и далее кислорода с гелием образуется неон. Об этом тоже почитаете, кому интересно.
Идем дальше, и подходим к воинственному термоядерному заряду, созданному в свое время в целях уничтожения человечества на планете ) Извиняюсь за черный юмор. В общем, расчеты показали, что из всех указанных выше реакций синтеза с наибольшим эффективным сечением идет реакция синтеза ядра дейтерия с ядром трития с образованием гелия-4 и вылетанием быстрого нейтрона (D2+T3=He4+n). Эта реакция является основной реакцией в термоядерных зарядах, и она же будет основной в будущих термоядерных реакторах любого типа.
Наиболее удобным "термоядерным горючим" для термоядерных зарядов оказался дейтерид лития LiD, который размещается в общей оболочке с ядерным зарядом. При взрыве ядерного заряда возникает поток нейтронов и на короткое время высокая температура (примерно 100 миллионов Кельвинов). Нейтроны при реакции с литием вызывают образование гелия-4 и трития, и уже образовавшийся тритий вступает в реакцию синтеза с ядрами дейтерия с образованием гелия-4 и вылетанием сверхбыстрого нейтрона. Естественно, что все эти процессы сопровождаются энерговыделением. Тепловой разрыв и разлет вещества заряда происходят уже через 1 микросекунду после начала реакции. А вот в советской "Слойке", - первой в мире водородной авиабомбе, испытанной в 1953г., - термоядерный заряд был еще окружен оболочкой из урана-238, который делится на быстрых нейтронах. Что это дало? Вылетевшие при синтезе D2+T3 нейтроны инициировали второй атомный взрыв во внешнем слое урана-238 за счет деления ядер, и этот взрыв еще более интенсифицировал термоядерную реакцию синтеза в пока еще не разлетевшейся термоядерной взрывчатке, в результате чего энергетический вклад именно термоядерного заряда в общий взрыв оказался равным 90%, остальные 10% пришлись на атомный взрыв. Т.е. можно говорить о полноценной термоядерной бомбе, а не о каком-то атомно-термоядерном симбиозе. Мощность взрыва составила 400 килотонн (вместо ожидаемых 100-300 килотонн). Это было очень большим успехом наших ученых.
Ну а теперь переходим к проблемам управляемого термоядерного синтеза. Осуществление управляемого термоядерного синтеза с целью получения энергии является важнейшей научной и инженерной задачей, стоящей сейчас перед человечеством. При том потреблении энергии, которое происходит сейчас, запасы углеводородного топлива иссякнут очень скоро, запасов делящихся материалов может хватить на пару сотен лет. Запасы же дейтерия, как уже говорилось, практически неисчерпаемы. Кроме того, в отличие от процессов в ядерных реакторах, при "сгорании" термоядерного горючего не образуются радиоактивные ядра.
Что такое Термоядерный реактор? Это такая установка, в которой термоядерный синтез осуществляется в замкнутом пространстве и энергия, выделяющаяся при синтезе, превышает энергию, затрачиваемую на поддержание работы установки. Что произойдет, если мы попытаемся нагреть дейтерий, или смесь дейтерия с тритием, до температур более 10 миллионов Кельвинов? Появляется плазма, и давление в замкнутом объеме становится равным примерно 100 тысяч атмосфер! Такое давление не смогут выдержать никакие стенки реактора, и к тому же при соприкосновении разогретой плазмы с любым веществом это вещество просто испарится, а плазма при этом охладится и "загрязнится". Далее, возникает проблема глубокого вакуума, который необходимо осуществить в камере до запуска туда рабочего газа. Но эта проблема на данный момент уже разрешена учеными и инженерами. Следующая проблема - изоляция горячей плазмы от стенок камеры, в которой она создается. Во второй половине 20 века физиками была выдвинута идея изоляции плазмы с помощью магнитных полей, которые обеспечат сжатие плазмы в шнур ("пинч-эффект") и изоляцию шнура от стенок трубки. Но собственного магнитного поля плазменного шнура недостаточно для удержания его от разрушения за счет различного рода необратимых деформаций, указанных на рисунке ниже. Если возникнет перетяжка, как показано слева, шнур разорвется под действием магнитного поля, а в случае изгиба (показано справа) магнитное поле еще больше увеличит деформацию. Поэтому нужно использовать еще и дополнительные внешние стабилизирующие магнитные поля, а во избежание ухода частиц из плазменного столба на торцах камеры должны присутствовать "магнитные пробки". Но необходимость в "магнитных пробках" отпадает, если плазменный шнур имеет форму тора.
Установки с камерами такого типа были разработаны в Курчатовском институте и получили название Токамак - тороидальная камера с магнитной стабилизацией плазмы. В них откаченную до глубокого вакуума камеру заполняют нужным газом, затем индукционным методом возбуждают ток и в камере возникает плазменный виток. Магнитное поле витка неоднородно, поэтому для стабилизации витка используется продольное магнитное поле, создаваемое с помощью обмотки, навитой на внешнюю поверхность камеры. На такой установке была достигнута температура плазмы 100 миллионов Кельвинов, а устойчивый плазменный шнур сохранялся в течение 0,1 секунды. Если газом, заполняющим установку, была смесь дейтерия с тритием, то в плазме происходили реакции синтеза этих ядер, о чем свидетельствовало появление быстрых нейтронов.
Однако такая установка еще не является термоядерным реактором. Почему? Потому что термоядерный реактор по определению должен генерировать энергию, большую, чем энергия, затрачивающаяся на его эксплуатацию. В результате был создан проект интернационального термоядерного реактора на основе токамака - ITER (ИТЭР). Проектом занимаются ученые из разных стран, сейчас он уже строится на юге Франции и после 2020 года планируются первые испытания. Реактор будет работать на смеси дейтерия и трития, процесс их синтеза описывался выше, а ниже приведена схема реактора с силуэтом человека для представления масштабов установки и фото стройплощадки. Об этом проекте тоже много понаписано, можете почитать.
Итак, рано или поздно начнется эпоха производства термоядерной энергии, и встает вопрос - насколько опасна эта деятельность? На самом деле, в плане радиации, термоядерный реактор будет намного безопаснее ядерного реактора. Как уже говорилось, количество радиоактивных веществ в реакторе будет очень мало, да и конструкция реактора разработана таким образом, чтобы препятствовать распространению этого очень малого количества радиоактивных веществ. Ну и в случае какой-то аварии в реакторе энергия, выделившаяся в результате этой аварии, не приведет к разрушению реактора. Добавим ко всему этому доступность топлива для реактора - дейтерия, - и можно говорить о том, что будущее должно быть за производством и использованием термоядерной энергии в мирных целях. Ну а на данный момент мы в маленьких объемах косвенно черпаем термоядерную энергию пока лишь от нашего солнышка и ждем первых испытаний на ITER. О таких возможностях еще всего лишь лет 90 назад и предположить никто не мог!
Комментарии7
