Творческое задание, страница 189 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

Творческое задание

Подготовьте сообщения с ppt-презентацией (на выбор):

1. «Магнитная ловушка»

2. «ТОКАМАК»

2. «ТОКАМАК»

Решение:

ТОКАМАК — это аббревиатура, которая расшифровывается как «ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками». Это наиболее изученная и одна из самых перспективных конструкций термоядерного реактора, предназначенная для осуществления управляемого термоядерного синтеза. Основная задача токамака — удержание высокотемпературной плазмы с помощью магнитного поля для создания условий, необходимых для протекания реакций слияния легких атомных ядер.

Принцип работы

Для того чтобы ядра дейтерия (D) и трития (T) вступили в реакцию синтеза, их необходимо нагреть до сверхвысоких температур — свыше 100 миллионов градусов Цельсия. При такой температуре вещество переходит в состояние плазмы — ионизированного газа, состоящего из ионов и электронов. Никакой материальный контейнер не может выдержать такой нагрев, поэтому для изоляции плазмы от стенок камеры используется магнитное поле. Этот метод называется магнитным удержанием.

В токамаке плазма удерживается в вакуумной камере, имеющей форму тора (похожего на бублик). Для удержания плазмы используется комбинация нескольких магнитных полей:

1. Тороидальное поле ($B_t$). Это основное, самое сильное поле, направленное вдоль оси тора. Оно создается системой больших катушек, расположенных вокруг вакуумной камеры. Это поле заставляет заряженные частицы плазмы (ионы и электроны) двигаться по спиральным траекториям вокруг силовых линий, не позволяя им быстро достичь стенок.

2. Полоидальное поле ($B_p$). Одного тороидального поля недостаточно, так как из-за неоднородности этого поля (оно сильнее у внутреннего края тора и слабее у внешнего) возникает дрейф частиц, который приводит к их быстрому уходу из объема плазмы. Чтобы скомпенсировать этот дрейф, необходимо создать полоидальное поле. Оно создается электрическим током, протекающим непосредственно через плазму. Этот ток возбуждается в плазме по принципу трансформатора: центральная катушка (соленоид), расположенная в «отверстии бублика», выступает в роли первичной обмотки, а плазменный шнур — в роли вторичной. Протекающий по плазме ток не только создает полоидальное поле, но и осуществляет её первоначальный нагрев (омический нагрев).

3. Винтовое поле. В результате сложения тороидального и полоидального полей образуется суммарное магнитное поле, силовые линии которого имеют винтовую форму. Частицы плазмы оказываются «привязанными» к этим винтовым силовым линиям и движутся вдоль них, оставаясь вдали от стенок камеры.

Основные компоненты и системы токамака

• Вакуумная камера: герметичная тороидальная емкость, в которой создается высокий вакуум, а затем формируется и удерживается плазма.
• Катушки тороидального поля: мощные электромагниты (часто сверхпроводящие), создающие основное удерживающее поле.
• Центральный соленоид (индуктор): используется для индукционного возбуждения тока в плазме.
• Катушки полоидального поля: дополнительные катушки для управления формой и положением плазменного шнура.
• Системы дополнительного нагрева: омический нагрев не позволяет достичь термоядерных температур. Поэтому используются дополнительные методы: инжекция пучков быстрых нейтральных атомов и высокочастотный нагрев (по аналогии с микроволновой печью).
• Дивертор: устройство в нижней (или верхней) части камеры для отвода из плазмы «золы» синтеза (гелия) и примесей, а также для снятия тепловой нагрузки со стенок.

Цель и перспективы

Конечная цель исследований — создание электростанции, работающей на основе реакции синтеза дейтерия и трития:

$D + T \rightarrow ^4_2He + ^1_0n + 17.6 \text{ МэВ}$

Эта реакция выделяет огромное количество энергии. Успешное создание термоядерного реактора обещает человечеству практически неисчерпаемый, экологически чистый и безопасный источник энергии. Запасы дейтерия в мировом океане огромны, а тритий можно получать из лития.

Для достижения положительного выхода энергии (когда полученной энергии больше, чем затрачено на нагрев и удержание плазмы) необходимо выполнить так называемый критерий Лоусона. Он требует одновременного достижения высоких значений температуры ($T$), плотности ($n$) и времени удержания энергии ($\tau_E$).

На сегодняшний день токамаки являются лидирующим направлением в исследованиях управляемого термоядерного синтеза. Крупнейшим в мире строящимся экспериментальным токамаком является международный проект ИТЭР (ITER) во Франции, который призван продемонстрировать научную и технологическую осуществимость термоядерной энергетики.

Ответ:

ТОКАМАК (Тороидальная Камера с Магнитными Катушками) — это установка для магнитного удержания высокотемпературной плазмы с целью осуществления управляемого термоядерного синтеза. В основе её работы лежит использование комбинированного магнитного поля винтовой формы, создаваемого внешними катушками (тороидальное поле) и током, протекающим через саму плазму (полоидальное поле). Эта конфигурация позволяет изолировать плазму, нагретую до температур свыше 100 миллионов градусов, от стенок вакуумной камеры. Токамаки считаются наиболее перспективным путем к созданию термоядерных электростанций — источника чистой и практически неисчерпаемой энергии будущего.