Номер 4, страница 218 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 59. Термоядерный синтез. Глава 7. Физика атомного ядра - номер 4, страница 218.

4. В чём преимущества управляемого термоядерного синтеза по сравнению с управляемым делением ядер, осуществляемым в ядерном реакторе?

Управляемый термоядерный синтез (УТС) обладает рядом фундаментальных преимуществ по сравнению с управляемым делением тяжелых ядер, используемым в современных атомных электростанциях (АЭС). Эти преимущества касаются доступности топлива, безопасности, радиоактивных отходов и других аспектов.

1. Практически неисчерпаемые запасы топлива.

Реакторы, работающие на делении ядер, используют в качестве топлива в основном изотоп урана-235 ($^{235}\text{U}$), запасы которого на Земле ограничены и который требует сложных и дорогостоящих процедур обогащения. В то же время, наиболее перспективная для освоения реакция термоядерного синтеза использует изотопы водорода — дейтерий ($^2_1\text{H}$ или D) и тритий ($^3_1\text{H}$ или T).

• Дейтерий в огромных количествах содержится в обычной воде (примерно 1 атом дейтерия на 6700 атомов водорода). Его запасов в Мировом океане хватит для обеспечения человечества энергией на миллионы лет.
• Тритий — радиоактивный изотоп с малым периодом полураспада ($T_{1/2} \approx 12.3$ года), поэтому в природе он практически не встречается. Однако его можно производить непосредственно в термоядерном реакторе из лития ($^6\text{Li}$), который является широко распространенным элементом в земной коре и морской воде. Реакция воспроизводства трития: $^6_3\text{Li} + ^1_0\text{n} \rightarrow ^4_2\text{He} + ^3_1\text{H}$.

Таким образом, топливная база для термоядерной энергетики является практически вечной и общедоступной.

Ответ: Топливо для термоядерного синтеза (дейтерий и литий) практически неисчерпаемо и доступно по всему миру, в отличие от ограниченных запасов урана для реакторов деления.

2. Внутренняя безопасность.

Процессы, лежащие в основе двух типов реакторов, кардинально различаются с точки зрения безопасности.

• В ядерном реакторе (деление) происходит самоподдерживающаяся цепная реакция. В активной зоне реактора находится большое количество ядерного топлива (десятки тонн). Существует теоретическая, хоть и малая, вероятность потери контроля над реакцией, что может привести к расплавлению активной зоны и выбросу огромного количества радиоактивных веществ (аварии в Чернобыле и Фукусиме).
• В термоядерном реакторе (синтез) цепная реакция невозможна. Для поддержания реакции синтеза требуются экстремальные условия — температура свыше 100 миллионов градусов и сложнейшая система удержания плазмы (например, магнитное поле в токамаках). Любое нарушение этих условий, например, сбой в системе удержания или поступления топлива, приводит к практически мгновенному остыванию плазмы и прекращению реакции. Количество топлива, единовременно находящегося в реакционной камере, очень мало (несколько граммов). Таким образом, неконтролируемый "разгон" реакции и ядерный взрыв физически невозможны.

Ответ: Термоядерные реакторы являются внутренне безопасными: в них невозможна неконтролируемая цепная реакция и, как следствие, авария с расплавлением активной зоны и катастрофическим выбросом радиации.

3. Проблема радиоактивных отходов.

Оба типа реакторов производят радиоактивные отходы, но их характер и опасность принципиально различны.

• При делении урана образуются "осколки" деления — множество высокоактивных радиоактивных изотопов (например, стронций-90, цезий-137), а также трансурановые элементы (плутоний, америций). Многие из этих отходов остаются чрезвычайно опасными на протяжении десятков и сотен тысяч лет, что требует их сложного и дорогостоящего захоронения в геологических формациях.
• Основным продуктом реакции D-T синтеза ($^2_1\text{H} + ^3_1\text{H} \rightarrow ^4_2\text{He} + ^1_0\text{n}$) является стабильный инертный газ гелий. Радиоактивность в термоядерном реакторе возникает в основном из-за нейтронной активации конструкционных материалов реактора. Однако, используя специально подобранные материалы с низкой активацией, можно добиться того, что наведенная радиоактивность будет спадать до безопасных уровней за несколько десятков лет или за столетие, а не за тысячелетия. Проблема долгоживущих высокоактивных отходов отсутствует.

Ответ: Термоядерный синтез не производит долгоживущих высокоактивных радиоактивных отходов; радиоактивность конструкционных материалов спадает на порядки быстрее, чем у отходов АЭС.

4. Отсутствие риска распространения ядерного оружия.

Технологии ядерного деления тесно связаны с военными применениями.

• Для работы АЭС требуется обогащенный уран, а в процессе работы реактора нарабатывается плутоний ($^{239}\text{Pu}$). Оба этих материала являются основой для создания ядерного оружия. Существует риск их хищения или использования технологий обогащения в военных целях.
• Термоядерная энергетика не использует и не производит материалы, которые можно напрямую применить для создания ядерного оружия. Тритий, хотя и используется в некоторых видах термоядерного оружия, не является делящимся материалом и его производство в промышленных масштабах для военных целей в термоядерном реакторе крайне затруднительно и неэффективно.

Ответ: Термоядерная энергетика не связана с производством и использованием делящихся материалов (уран, плутоний), что исключает риски их хищения и распространения ядерного оружия.

5. Более высокий выход энергии на единицу массы топлива.

Реакции синтеза выделяют значительно больше энергии на один нуклон (протон или нейтрон), чем реакции деления.

• При делении одного ядра урана-235 (состоящего из 235 нуклонов) выделяется около $200 \text{ МэВ}$ энергии, что составляет примерно $200/235 \approx 0.85 \text{ МэВ/нуклон}$.
• При синтезе одного ядра гелия-4 из дейтерия и трития (суммарно 5 нуклонов) выделяется $17.6 \text{ МэВ}$, что составляет $17.6/5 \approx 3.52 \text{ МэВ/нуклон}$.

Это означает, что при одинаковой массе топлива термоядерный синтез примерно в 4 раза более энергоэффективен, чем деление ядер.

Ответ: Термоядерный синтез выделяет примерно в 4 раза больше энергии на единицу массы топлива по сравнению с реакцией деления урана.