Термоядерный синтез это метод достижения ядерного синтеза с использованием чрезвычайно высоких температур.
Существует два типа термоядерного синтеза: неконтролируемый, при котором образующаяся энергия высвобождается неконтролируемым образом, например, в термоядерном оружии («водородные бомбы») и в большинстве звезд.
Вторая форма контролируемая термоядерная реакция, это когда реакции синтеза происходят в среде, позволяющей использовать часть или всю высвобождаемую энергию в конструктивных целях.
Требования к температуре
Температура это система, состоящая из средней кинетической энергии частиц. После достижения достаточной температуры, согласно критерию Лоусона, энергия случайных столкновений, происходящих в плазме, достаточно велика, чтобы преодолеть кулоновский барьер, который может привести к слиянию частиц.
Есть два эффекта, которые снижают требуемую фактическую температуру. Некоторые ядра при достаточной температуре на самом деле имели бы гораздо более высокую энергию, чем 0,1 МэВ, в то время как другие были бы намного ниже.
Для большинства реакций синтеза важны ядра в высокоэнергетическом хвосте распределения скоростей. Второй эффект-квантовое туннелирование.
На самом деле ядра не обладают достаточной энергией, чтобы полностью преодолеть кулоновский барьер. Если у них есть приблизительная необходимая энергия, они могут проложить туннель через оставшийся барьер.
Удержание горячей плазмы
Ключевой проблемой в достижении термоядерного синтеза является удержание горячей плазмы. Плазма не может находиться в прямом контакте с каким-либо твердым материалом при высокой температуре и , следовательно, должна находиться в вакууме.
При высоких давлениях плазма имеет тенденцию расширяться, и для противодействия ей требуется некоторая сила.
Этой силой может быть гравитация в звездах, магнитные силы в термоядерных реакторах с магнитным удержанием или инерция.
Гравитационное удержание
Гравитационная сила способна удерживать топливо достаточно хорошо, чтобы удовлетворить критерию Лоусона. Необходимая масса настолько велика, что гравитационное удержание можно обнаружить только в звездах.
В звездах, которые удовлетворяют требуемой массе, после того, как запас водорода в их ядрах заканчивается, их ядра (или оболочка вокруг ядра) начинают сплавлять гелий с углеродом.
В самых тяжелых звездах (по крайней мере, 8-11 солнечных масс) процесс продолжается до тех пор, пока часть их энергии не будет получена путем сплавления более легких элементов с железом. Железо обладает одной из самых высоких энергий связи.
Таким образом, реакции, в результате которых образуются более тяжелые элементы, носят эндотермический характер.
Поэтому значительные количества более тяжелых элементов образуются только при взрывах сверхновых.
Все элементы, которые тяжелее железа, обладают некоторой потенциальной энергией для высвобождения.
Более тяжелые элементы могут вырабатывать энергию в процессе повторного расщепления до размера железа, в процессе ядерного деления, происходящего в конце производства элемента.
Энергия, которая выделяется во время ядерного деления, является накопленной энергией, вероятно, накопленной еще миллиарды лет назад во время звездного нуклеосинтеза.
Магнитное удержание
Электрически заряженные частицы следуют за линиями магнитного поля. Это применимо к ионам топлива.
Следовательно, сильное магнитное поле может задерживать термоядерное топливо. Тороидальная геометрия токамаков, стеллараторов и открытых систем удержания зеркал-это магнитные конфигурации, которые можно использовать.
Другими способами сделать это являются
- Инерционное удержание – быстрый импульс подается для достижения оптимальных условий
- Электростатическое удержание – электростатическое поле используется для ограничения ионов
Почему это практически невозможно
Цепные реакции практически невозможны. Следовательно, их гораздо легче контролировать и останавливать, чем реакции деления. Поэтому, по логике вещей, лучше подключиться к этому источнику, чем использовать реакции деления.
К сожалению, возможность использования этой энергии в ближайшем будущем очень мала. Это может оказаться невозможным по крайней мере через два десятилетия.
Довольно тревожная мысль, которая сейчас преобладает, заключается в том, что в случае, если это не предсказуемое и надежное будущее, количество ресурсов, потраченных на исследования, могло бы быть использовано для других возобновляемых источников энергии.
Часто задаваемые вопросы и ответы о термоядерном синтезе?
Что такое термоядерная энергетика?
Управляемый термоядерный синтез. Язык. Следить. Править. (перенаправлено с «Термоядерная энергетика»). Управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерных взрывных устройствах), носит управляемый характер.
Существует ли управляемые термоядерные реакции?
Управляемая (УТС), контролируемое протекание термоядерных реакций, при котором должен происходить отбор и дальнейшее использование выделяющейся энергии и (возможно) продуктов реакций.
В основе УТС лежит процесс ядерного синтеза – слияния ядер, сблизившихся на расстояние действия ядерных сил, с образованием более тяжёлых ядер.
В чем проблема термоядерного синтеза?
Проблема термоядерного синтеза заключалась в тритии. В случае синтеза с участием тяжёлого и сверхтяжёлого водорода 80% выделившейся энергии уносил рождающийся в реакции нейтрон.
Для чего нужен термоядерный синтез?
Зачем нам термоядерный синтез? В ходе ядерных и термоядерных реакций выделяется огромное количество энергии, которую можно использовать в различных целях — можно создать мощнейшее оружие, а можно преобразовать ядерную энергию в электричество и снабдить им весь мир.
Как объясняется термоядерный синтез?
Кинетическая энергия (энергия движения) частиц переходит в тепловое движение атомов после соударения частиц с атомами. Таким образом ядерная энергия проявляется в виде нагрева. … Ядерная реакция с увеличением количества нуклонов в ядре называется термоядерной реакцией или ядерным синтезом.