Номер 6, страница 167 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

6. В каких целях используются ядерные реакторы? Какая энергия называется ядерной? Какие ядерные реакции осуществляются в токамаке? Каковы их сложности и перспективы?

В каких целях используются ядерные реакторы?

Ядерные реакторы — это устройства, в которых осуществляется и поддерживается управляемая цепная реакция деления тяжелых атомных ядер, сопровождающаяся выделением энергии. Они используются в следующих целях:

1. Производство электроэнергии. Это основное и наиболее известное применение. На атомных электростанциях (АЭС) тепло, выделяющееся в активной зоне реактора, используется для нагрева теплоносителя (обычно воды), который затем превращает другую воду в пар. Этот пар под высоким давлением вращает турбину, соединенную с электрогенератором, вырабатывающим электрический ток.

2. Силовые установки для транспорта. Компактность и огромная энергоемкость ядерного топлива делают реакторы идеальными источниками энергии для объектов, требующих длительной автономности. Они устанавливаются на военных подводных лодках, авианосцах и тяжелых крейсерах, а также на мощных гражданских атомных ледоколах.

3. Научные исследования. Исследовательские реакторы являются мощными источниками нейтронов. Потоки нейтронов используются для изучения структуры и свойств материалов (нейтронография), для испытания материалов, предназначенных для работы в условиях интенсивного облучения, в ядерной физике и физике элементарных частиц.

4. Производство радиоактивных изотопов. В реакторах путем облучения нейтронами различных материалов получают широкий спектр радиоактивных изотопов. Эти изотопы находят применение в медицине (для диагностики и лучевой терапии), в промышленности (для неразрушающего контроля, стерилизации), в сельском хозяйстве и научных исследованиях.

5. Опреснение морской воды. Тепло, вырабатываемое ядерным реактором, может быть использовано для питания крупных промышленных установок по опреснению морской воды, что особенно актуально для засушливых регионов.

6. Производство плутония. Некоторые типы реакторов (реакторы-наработчики) специально спроектированы для производства плутония-239 из урана-238. Плутоний используется как топливо для других реакторов (включая реакторы на быстрых нейтронах) и как компонент ядерного оружия.

Ответ: Ядерные реакторы используются для производства электроэнергии, в качестве силовых установок на судах и подводных лодках, для научных исследований, производства радиоизотопов, опреснения воды и наработки плутония.

Какая энергия называется ядерной?

Ядерной (или внутриядерной) энергией называется внутренняя энергия, содержащаяся в атомных ядрах, которая может высвобождаться в ходе ядерных реакций. Эта энергия обусловлена сильным взаимодействием, которое связывает нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре. Силы, удерживающие нуклоны вместе, огромны, поэтому и энергия, заключенная в ядре, колоссальна.

Источник этой энергии описывается знаменитой формулой Эйнштейна $E = mc^2$, которая устанавливает эквивалентность массы ($m$) и энергии ($E$), где $c$ — скорость света в вакууме. В ходе ядерных реакций масса продуктов (конечных ядер и частиц) оказывается немного меньше, чем масса исходных реагентов. Эта разница масс, называемая дефектом массы ($\Delta m$), не исчезает, а преобразуется в огромное количество энергии ($\Delta E = \Delta m \cdot c^2$), которая выделяется в виде кинетической энергии продуктов реакции и электромагнитного излучения.

Основные процессы высвобождения ядерной энергии:

1. Ядерное деление — процесс расщепления ядра тяжелого элемента (например, урана-235) на два или более легких ядра (осколки деления) при захвате им нейтрона. Реакция сопровождается высвобождением энергии, нескольких новых нейтронов и гамма-квантов.

2. Ядерный (термоядерный) синтез — процесс слияния двух или более легких атомных ядер в одно более тяжелое. Для этого необходимо преодолеть кулоновское отталкивание между положительно заряженными ядрами, что требует сверхвысоких температур и давлений. Эта реакция является источником энергии Солнца и звезд.

3. Радиоактивный распад — спонтанное превращение нестабильного ядра в другое, более стабильное, сопровождающееся испусканием частиц (альфа-частиц, бета-частиц) или гамма-излучения. Кинетическая энергия испускаемых частиц и есть высвобожденная ядерная энергия.

Ответ: Ядерная энергия — это энергия, заключенная в атомных ядрах и высвобождаемая при их превращениях (делении, синтезе, радиоактивном распаде) за счет преобразования части массы ядер в энергию.

Какие ядерные реакции осуществляются в токамаке?

Токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) — это экспериментальная установка, предназначенная для осуществления управляемого термоядерного синтеза. В отличие от обычных ядерных реакторов, где используется реакция деления тяжелых ядер, в токамаке стремятся запустить и поддерживать реакцию слияния легких ядер.

Наиболее изученной и перспективной для будущих термоядерных электростанций считается реакция слияния изотопов водорода — дейтерия ($D$) и трития ($T$). Для того чтобы эта реакция произошла, газовую смесь дейтерия и трития необходимо нагреть до температур свыше 100 миллионов градусов Цельсия. При такой температуре вещество превращается в плазму — ионизированный газ, состоящий из свободных ядер и электронов. Мощное магнитное поле токамака удерживает эту раскаленную плазму в форме тора (бублика), не давая ей соприкоснуться со стенками камеры.

Основная ядерная реакция, которая должна осуществляться в термоядерном реакторе-токамаке, выглядит так:

$${_1^2}D + {_1^3}T \rightarrow {_2^4}He + {_0^1}n + 17.6 \text{ МэВ}$$

В этой реакции ядро дейтерия (${_1^2}D$) и ядро трития (${_1^3}T$) сливаются, образуя ядро гелия-4 (${_2^4}He$, также известное как альфа-частица) и один нейтрон (${_0^1}n$). В ходе реакции выделяется энергия 17,6 мегаэлектронвольт (МэВ). Эта энергия распределяется между продуктами реакции: нейтрон уносит около 14,1 МэВ, а альфа-частица — 3,5 МэВ.

Ответ: В токамаке осуществляются реакции управляемого термоядерного синтеза, в первую очередь — реакция слияния ядер дейтерия и трития с образованием гелия и высокоэнергетического нейтрона.

Каковы их сложности и перспективы?

Реализация термоядерного синтеза в токамаке представляет собой одну из сложнейших научно-технических задач, но ее решение открывает человечеству огромные перспективы.

Сложности:

1. Достижение и удержание экстремальных параметров плазмы. Необходимо не только нагреть плазму до температур, превышающих температуру в центре Солнца (более 100 млн °C), но и удерживать ее достаточно долго при определенной плотности. Выполнение этого условия (критерий Лоусона) требует огромных энергетических затрат и сложнейших систем магнитного удержания.

2. Плазменные неустойчивости. Плазма — крайне сложная и нестабильная среда. Различные типы неустойчивостей могут привести к срывам (дизрупциям), когда плазма за доли секунды остывает и теряет энергию, что может вызвать серьезные повреждения внутренних компонентов реактора.

3. Материаловедческие проблемы. Внутренняя стенка реактора («первая стенка») подвергается воздействию мощнейших потоков тепла, частиц и нейтронов. Это приводит к эрозии, деградации свойств и наведенной радиоактивности материалов. Создание материалов, способных выдерживать такие нагрузки в течение десятилетий, является ключевой задачей.

4. Воспроизводство трития. Тритий, один из компонентов топлива, практически не встречается в природе и имеет короткий период полураспада (~12,3 года). Поэтому будущий реактор должен сам его производить. Для этого планируется использовать нейтроны из реакции синтеза для облучения лития в специальной оболочке (бланкете), окружающей плазму, по реакции: $${_0^1}n + {_3^6}Li \rightarrow {_1^3}T + {_2^4}He$$. Создание эффективного и надежного бланкета — сложнейшая инженерная задача.

Перспективы:

1. Экологическая чистота. Термоядерная энергетика не производит выбросов CO₂ и других парниковых газов. Она не создает долгоживущих высокоактивных радиоактивных отходов, как АЭС на реакции деления. Активированные конструкции реактора станут безопасными за 50–100 лет, а не за десятки тысяч лет.

2. Практически неисчерпаемое топливо. Дейтерий можно извлекать из обычной воды, где его запасы огромны. Литий, необходимый для производства трития, также широко распространен в земной коре и морской воде. Топливные ресурсы для термоядерной энергетики могут обеспечить потребности человечества на миллионы лет.

3. Внутренняя безопасность. Термоядерный реактор по своей природе безопасен. В активной зоне находится всего несколько граммов топлива, и любая нештатная ситуация или сбой оборудования приводит к немедленному остыванию плазмы и прекращению реакции. Неконтролируемый разгон и ядерный взрыв физически невозможны.

4. Высокая энергоэффективность. Реакция синтеза выделяет в 4 раза больше энергии на единицу массы топлива, чем реакция деления урана, и в миллионы раз больше, чем сжигание ископаемого топлива.

Ответ: Основные сложности связаны с удержанием высокотемпературной плазмы, созданием стойких материалов и воспроизводством трития. Перспективы заключаются в получении практически неисчерпаемого, экологически чистого и безопасного источника энергии для человечества.