Реакция синтеза атомных ядер. Проблема управляемых термоядерных реакций
Реакция синтеза атомных ядер. Проблема управляемых термоядерных реакций - Лекция, раздел История, ЛЕКЦИЯ N 1 • Краткие исторические сведения. Тепловое излучение. Излучение абсолютно черного тела. Закон Кирхгофа. Итоги лекции N 1 Как Уже Отмечалось В § 2 Настоящей Лекции, При Реакции Ядерного Синтеза (Слия...
Как уже отмечалось в § 2 настоящей лекции, при реакции ядерного синтеза (слияния) легких атомных ядер выделяется очень большое количество энергии.
Но для того, чтобы произошло слияние атомных ядер, их необходимо сблизить на расстояние порядка 10-13 м, после чего процесс слияния происходит с заметной вероятностью. Отметим, что расстояние 10-13 м все еще значительно больше расстояния, на котором начинают действовать ядерные силы притяжения.
На рис. 17.4 изображен примерный график зависимости потенциальной энергии взаимодействия двух ядер. На этом рисунке W - относительная кинетическая энергия ядер. Как видно из рисунка, она меньшепотенциального барьера, который возникает за счет кулоновского отталкивания двух ядер. Пройти "под барьером" и попасть в глубокую потенциальную яму, возникающую за счет действия ядерных сил притяжения, налетающее ядро может из-за корпускулярно-волнового дуализма микрочастиц (см. лекцию 6).
Рис. 17.4
Волновая функция Ψ налетающего ядра в области потенциального барьера хотя и убывает, но если барьер не очень велик, значение волновой функции за барьером будет заметно отлично от нуля. Как известно, |Ψ(r)|2dV = dV - вероятности обнаружить микрочастицу в объеме dV. Значит, будет отлична от нуля вероятность обнаружить частицу за потенциальным барьером, в области ямы. Этот эффект называется "тунелированием". Именно наличие тунелирования дает вероятность ядрам начать слияние, начиная с расстояний 10-13 м. "Классическая" частица для попадания в яму должна была бы иметь энергию не меньше высоты потенциального барьера и подходить к своей "партнерше" на расстояние ~ 10-5 м, где начинают действовать ядерные силы.
Определим W - энергию ядер, необходимую для сближения на расстояние 10-13 м. Как известно из электростатики (см. Часть 2, (3.3)), потенциальная энергия взаимодействия двух точечных зарядов дается формулой:
Для двух ядер дейтерия, например, q1=q2=e=1,6·10-19 Кл. При r=10-13 м имеем:
Сообщить ядрам такую энергию можно разогрев вещество до очень высокой температуры. Температуру оценим, приравнивая эту энергию средней энергии теплового движения, равную (3/2)kT, где k=1,38·10-23 Дж/К:
откуда
В земных условиях реакции синтеза легких ядер впервые были реализованы в виде термоядерного взрыва (в так называемой водородной бомбе). Высокая температура, необходимая для протекания реакции синтеза в водородной бомбе, создается за счет взрыва ядерной бомбы, служащей в водородной бомбе детонатором, "поджигателем" термоядерного взрыва. В водородной бомбе используются реакции синтеза:
В реакциях (17.2) и (17.3) образуется дорогостоящий тритий , который и вступает в реакцию с дейтерием (17.1). Образующиеся в реакциях (17.1) нейтроны имеют энергию 14 МэВ, поэтому могут вызывать деление ядер , который составляет более 99% природного урана. Для усиления энергии взрыва, бомбу окружают оболочкой из природного урана. Энергия взрыва термоядерных бомб на 2-3 порядка выше, чем ядерных и составляет от 100000 до 1000000 тонн тротила.
Управляемый термоядерный синтез,проходящий в регулируемых условиях, пока еще не реализован.
Наиболее перспективной реакцией для управляемого термоядерного синтеза является реакция (17.1), так как она протекает с наибольшей скоростью.
При температурах Т~108 К, необходимых для протекания реакции синтеза, вещество ионизируется: ядра и электроны уже не связаны друг с другом: вещество переходит в состояние полностью ионизированной плазмы. Основная проблема состоит в том, как удержать горячую плазму в зоне реакции. Одним из основных направлений решения этой проблемы является создание установок, в которых плазма удерживается с помощью магнитного поля. Эту идею в 1950 году высказали советские ученые И.Е. Тамм и А.Д. Сахаров. Она реализуется различными способами, но наибольшие усилия были затрачены на создание устройств, которые получили название "ТОКОМАК". Это название является сокращением от полного названия: "тороидальная камера с магнитными катушками". В настоящее время работы на токомаках переходят из фазы чисто физических исследований в фазу создания экспериментального термоядерного реактора. Существует международный проект, который предполагается осуществить и который должен служить экспериментальной моделью будущей электростанции с реакцией синтеза на основе токомака.
В заключении отметим, что системы с магнитным удержанием плазмы - не единственный путь к реализации управляемой реакции синтеза. С 1964 года начались исследования в области управляемого термоядерного синтеза с применением лазерного нагрева. При этом термоядерное горючее имеет вид небольших крупинок, диаметром несколько миллиметров, состоящих из дейтерий-тритиевого льда. Лазерное излучение фокусируется на этой мишени и разогревает ее до термоядерных температур. Работа подобного реактора может осуществляться только в импульсном режиме. Пока эти исследования далеки до завершения.
Исключительная важность для всего человечества решения проблемы управляемой термоядерной реакции состоит в том, что запасы традиционных источников энергии (нефть, газ, уголь) стремительно истощаются и управляемые термоядерные реакции должны стать основой энергетики будущего.
Итоги лекции N 17
1. При попадании нейтрона ядро урана делится на да примерно равных по массе осколка. При этом в среднемиспускается 2,5 нейтрона.
2. Природный уран содержит два изотопа: (99,29%) и (0,71%).
3. Ядро урана делится под действием только быстрыхнейтронов с энергией больше 1 ГэВ.
4. Ядро делится под действием нейтронов любыхэнергий, особенно эффективно деление идет под действием медленных, тепловых нейтронов.
5. Цепная реакция деления урана возможна либо в чистом взрывным способом, либо в ядерном реакторе, где ядерным топливом служит или природный уран, или слегка обогащенный изотопом .
6. Для реализации реакции синтеза легких атомных ядер их необходимо сблизить на расстояние ~10-13 м.
Сообщить ядрам энергию, достаточную для такого сближения, можно, разогрев вещество до температур ~ 108 К.
7. В земных условиях реакции синтеза легких ядер первые были реализованы в виде термоядерного взрыва. При этом высокая температура, необходимая для синтеза ядер дейтерия и трития создается за счет взрыва ядерной бомбы.
8. Управляемый термоядерный синтез пока еще не реализован. Одним из основных направлений решения проблемы управляемого термоядерного синтеза является создание установок, где полностью ионизированное вещество - плазма - удерживается при Т~108 К с помощью магнитного поля.
9. Исключительная важность для всего человечества решения проблемы управляемого термоядерного синтеза объясняется быстрым истощением традиционных источников энергии (нефть, газ, уголь).
ЛЕКЦИЯ N Краткие исторические сведения Тепловое излучение Излучение абсолютно черного тела Закон Кирхгофа Итоги лекции N... ЛЕКЦИЯ N Проблема излучения абсолютно черного тела Формула Планка Закон... ЛЕКЦИЯ N Проблема фотоэффекта Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта Итоги лекции N...
Закон Стефана-Больцманаи закон Вина
Из (1.11) для абсолютно черного тела, когда rω = f(λ,Т), получим энергетическую светимость R(T), интегрируя функцию f(ω,Т) (2.2) во всем интервале частот.
Проблема фотоэффекта
Фотоэффект - это испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.
Такой фотоэффект называют внешним. Именно о нем мы будем говорить в эт
Итоги лекции N 3
1. Фотоэффект - это испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.
2. Экспериментальные исследования фотоэффекта, приведенного в 1900-1904 гг., показали, что
Боровская теория атома водорода
Атом водорода - простейший из всех атомов. Его ядро - элементарная частица протон. Масса протона в 1836 раз больше массы электрона, вследствие этого ядро в первом приближении можно считать неподвиж
Итоги лекции N 4
1. Уравнение движения электрона в планетарной модели атома, записанное на основе второго закона Ньютона, позволяет атому иметь любой размер, опыт же показывает, что размеры атомов порядка 10-1
Гипотеза де Бройля. Волновые свойства электронов
Согласно гипотезе де Бройля любой движущийся частице с энергией E и импульсом соответствует волна с частотой v = E/h, длиной волны λ = h/p и волновым вектором . Так же как в случае с фо
Итоги лекции N 7
Волновое уравнение для функции Ψ получено в 1926 г. Э. Шредингером и носит его имя - уравнение Шредингера. Для одной частицы, Движущейся во внешнем поле, оно имеет следующий вид (см. (7.
Итоги лекции N 8
1. Формула (8.3) для энергии стационарных состояний атома водорода, полученная на основе уравнения Шредингера совпадает с аналогичной формулой (4.8), полученной в боровской теории атома водорода, т
Спин электрона. Принцип Паули. Фермионы и бозоны.
Как уже упоминалось в конце § 3 предыдущей лекции, спектральные линии атома водорода обнаруживают тонкую структуру. Тонкая структура присуща спектрам всех атомов. Для объясн
Объяснение температурной зависимости теплоемкостей газов
В части 4, лекции N 4 обсуждались графики экспериментальных зависимостей теплоемкости CV для двух газов: одноатомного аргона (Ar) и двухатомного водорода (H2). Ход графика для
Итоги лекции N 9
1. Электрон обладает собственным моментом импульса LS , не связанным с движением в пространстве. Модуль собственного момента импульса определяется спиновым квантовым числом
Бозоны. Распределение Бозе-Эйнштейна
Бозон - это частица или (квазичастица - как, например, фонон - квант упругих колебаний в твердых телах) с нулевым или целочисленным спином. К бозонам
Итоги лекции N 12
1. Квантовая теория электропроводности металлов дает для удельной проводимости σ формулу (12.2):
Происхождение энергетических зон в кристаллах. Металлы
Физически происхождение зонной структуры в кристалле связано с образованием кристалла из N атомов, каждый из которых в свободном состоянии обладает дискретным электронным энергетическим спектром (с
Собственная проводимость полупроводников
Из элементов таблицы Менделеева типичными полупроводниками являются германий и кремний. Ширина запрещенной зоны у германия 0,66эВ, у кремния - 1,1эВ (при T = 300К).
Имея по 4 валентных эле
Итоги лекции N 13
При объединении атомов в кристалл их энергетические уровни вследствие принципа Паули превращаются в систему очень близко расположенных подуровней - разрешенныеэнергетические
Донорные примеси, полупроводникиn-типа
Для четырехвалентных полупроводников германия (Ge) и кремния (Si) донорными примесями являются атомы пятивалентных элементов, таких как фосфор (P), мышьяк (As), с
Акцепторные примеси. Полупроводникиp-типа
Акцепторными примесями для германия и кремния являются атомы трехвалентных элементов, таких как бор (B), алюминий (Al), галлий (Ga), индий (In).
Название "акце
Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый диод
Создадим контакт из двух полупроводников, один из которых p-типа, а другой n-типа, как это изображено на рис.14.3 Такой контакт называют электронно-дырочным переходом, или p-n переходом.
Полупроводниковый триод - транзистор
Полупроводниковый триод, или транзистор, - это электронный прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Состоит он из двух p-n переходов, созданных в
Итоги лекции N 14
Атомы пятивалентных элементов, таких как фосфор (Р), мышьяк (As), сурьма (Sb), добавленные в кристаллическую решетку четырехвалентных полупроводников германия (Ge) или кремния (Si), называютс
Оптический резонатор
Для превращения сверхлюминисценции в генерацию лазерного излучения необходимо наличие положительной обратной связи, осуществляемой за счет оптического резонатора.
Способы создания инверсии населенности
Процесс создания инверсии населенности называется накачкой. В зависимости от структуры активной среды используются различные виды накачки.
В твердых телах и жидкостях испо
Виды лазеров и их применение
По режиму работы лазеры можно разделить на импульсные и непрерывного действия. По виду активной среды лазеры делятся на газовые, жидкостные, полупроводнико
Итоги лекции N 15
Лазер, или оптический квантовый генератор - это устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного испускания света активной средо
Размер, состав и заряд атомного ядра. Массовое и зарядовое число
Атомное ядро было открыто английским физиком Э. Резерфордом в 1911 году в опытах по рассеянию α-частиц при прохождении их через вещество. Схема этого опыта была приведена нами в первой лекции
Итоги лекции N 16
Ядро - центральная массивная часть атома, где сосредоточено более 99,95% массы атома. Ядро имеет положительный заряд qЯ, кратный элементарному заря
Некоторые сведения из истории открытия деления ядра урана
После открытия нейтрона физики получили в свое распоряжение частицу, способную, ввиду отсутствия заряда, проникать в любые, в том числе и тяжелые, ядра. Исследования воздействия нейтронов на ядра,
Цепная ядерная реакция. Ядерная бомба
После открытия деления ядер урана У. Зинн и Л. Сциллард, а также Г.Н. Флеров показали, что при делении ядра урана вылетает больше одного нейтрона. Дальнейшие исследов
Ядерный реактор
Ядерный реактор - это содержащая ядерное горючее установка, в которой осуществляется управляемая ядерная реакция.
В качестве делящегося вещества в реакторах используют природный (либо слег
Закон радиоактивного распада
Закон радиоактивного распада дает зависимость N(t) -числа радиоактивных ядер от времени. Поскольку отдельные радиоактивные ядра распадаются независимо друг от друга, можно считать, что число ядер d
Взаимодействие радиоактивного излучения с веществом
Человек с помощью своих органов чувств не способен обнаружить радиоактивное излучение. Поэтому важной задачей является изучение особенностей взаимодействия различных радиоактивных излучений с вещес
Методы регистрации ионизирующих излучений
Быстрые заряженные частицы, проходя через вещество, оставляют за собой след ионизированных и возбужденных атомов. Нейтроны и γ-кванты, взаимодействуя с ядрами и атомами, создают вторичные быст
Итоги лекции N 18
1. Радиоактивностью называют свойства атомных ядер самопроизвольно изменять свой состав (заряд z и массовое число А) путем испускания элемента
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
, который и вступает в реакцию с дейтерием (17.1). Образующиеся в реакциях (17.1) нейтроны имеют энергию 14 МэВ, поэтому могут вызывать деление ядер 
, который составляет более 99% природного урана. Для усиления энергии взрыва, бомбу окружают оболочкой из природного урана. Энергия взрыва термоядерных бомб на 2-3 порядка выше, чем ядерных и составляет от 100000 до 1000000 тонн тротила.
(0,71%).
Новости и инфо для студентов