Номер 4, страница 224 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Творческие задания. § 61. Биологическое действие радиоактивных излучений. Глава 7. Физика атомного ядра - номер 4, страница 224.

4. Подготовьте презентацию «Современное состояние исследований по проблеме управляемого термоядерного синтеза».

Введение: Что такое управляемый термоядерный синтез (УТС)?

Управляемый термоядерный синтез — это процесс, в ходе которого легкие атомные ядра (например, изотопы водорода) сливаются, образуя более тяжелые ядра и высвобождая огромное количество энергии. Этот процесс аналогичен тому, что происходит в ядре Солнца и других звезд. Цель исследований в области УТС — воспроизвести этот процесс на Земле и использовать его для создания практически неисчерпаемого, экологически чистого и безопасного источника энергии. В отличие от ядерного деления, используемого в современных АЭС, термоядерный синтез не производит долгоживущих радиоактивных отходов, а топливо для него (дейтерий и литий) широко распространено в природе.

2. Физические основы термоядерного синтеза

Для слияния атомных ядер необходимо преодолеть силу их электростатического отталкивания. Это требует экстремальных условий: вещество должно быть нагрето до температур свыше 100 миллионов градусов Цельсия, переходя в состояние плазмы — ионизированного газа. Наиболее перспективной считается реакция между дейтерием (D) и тритием (T):

$$ {}^2_1D + {}^3_1T \rightarrow {}^4_2He + n + 17.6 \, \text{МэВ} $$

Для запуска и поддержания самоподдерживающейся реакции необходимо выполнить критерий Лоусона. Он гласит, что произведение трех величин — плотности плазмы ($n$), температуры ($T$) и времени удержания энергии ($\tau_E$) — должно превысить определенное пороговое значение: $n \cdot T \cdot \tau_E > \text{const}$. Достижение этого тройного произведения является главной задачей всех термоядерных установок.

3. Основные направления исследований

В настоящее время доминируют два подхода к достижению условий, необходимых для термоядерного синтеза:

3.1. Магнитное удержание плазмы (Magnetic Confinement Fusion, MCF)

Этот метод использует сверхмощные магнитные поля для удержания горячей плазмы внутри вакуумной камеры, не позволяя ей коснуться стенок реактора и остыть.

• Токамак: Наиболее изученная и развитая концепция, предложенная советскими физиками. Установка имеет форму тора ("бублика"), в котором плазма удерживается комбинацией двух магнитных полей: сильного тороидального поля, идущего вдоль тора, и более слабого полоидального поля, создаваемого током в самой плазме. Крупнейший в мире проект в этой области — Международный экспериментальный термоядерный реактор ITER (ИТЭР), строящийся во Франции силами 35 стран. Его цель — продемонстрировать научную и технологическую осуществимость УТС, получив в 10 раз больше энергии, чем будет затрачено на нагрев плазмы ($Q \ge 10$).
• Стелларатор: Альтернативная конструкция, где необходимое для удержания винтовое магнитное поле создается исключительно внешними катушками очень сложной формы. Это делает стеллараторы более сложными в проектировании и постройке, но теоретически они способны работать в непрерывном режиме, в отличие от импульсного режима большинства токамаков. Яркий пример — немецкий стелларатор Wendelstein 7-X, который успешно демонстрирует стабильное удержание высокотемпературной плазмы.

3.2. Инерциальное удержание плазмы (Inertial Confinement Fusion, ICF)

В этом подходе крошечную сферическую мишень, содержащую дейтерий и тритий, со всех сторон облучают мощнейшими импульсами лазеров или ионных пучков. Внешние слои мишени испаряются, создавая реактивную силу, которая сжимает и нагревает топливо в центре до термоядерных температур и плотностей. Весь процесс происходит за ничтожно малые доли секунды (наносекунды), а удержание обеспечивается инерцией самого сжимающегося вещества.

• Ключевой проект — National Ignition Facility (NIF) в США. В декабре 2022 года на этой установке был совершен исторический прорыв: впервые в истории удалось получить от термоядерной реакции больше энергии (3.15 МДж), чем было доставлено к мишени лазерами (2.05 МДж). Это событие, известное как "зажигание" (ignition), доказало физическую состоятельность данного подхода.

4. Ключевые научные и инженерные проблемы

Несмотря на значительные успехи, на пути к созданию коммерческой термоядерной электростанции остается ряд серьезных вызовов:

• Устойчивость плазмы: Необходимо научиться подавлять различные виды плазменных неустойчивостей, которые могут привести к срыву реакции и повреждению установки.
• Проблема материалов: Стенки реактора (так называемая "первая стенка" и дивертор) должны выдерживать колоссальные тепловые нагрузки и мощное нейтронное облучение, которое со временем разрушает любой материал. Ведется активный поиск и разработка новых жаропрочных и радиационно-стойких сплавов.
• Воспроизводство трития: Тритий — радиоактивный изотоп с периодом полураспада около 12 лет, и в природе он практически не встречается. Будущие реакторы должны будут сами производить ("нарабатывать") тритий из лития, который будет окружать активную зону в виде специального бланкета. Нейтроны из реакции D-T будут взаимодействовать с литием, производя тритий: $ {}^6_3Li + n \rightarrow {}^4_2He + {}^3_1T $.
• Энергетическая рентабельность: Необходимо достичь не просто научного, но и инженерного прорыва, когда вся электростанция в целом производит значительно больше энергии, чем потребляет на свою работу (включая лазеры, магниты, системы охлаждения и т.д.).

5. Перспективы и будущие проекты

После успешной демонстрации физических принципов на ITER, следующим шагом станет строительство демонстрационной электростанции DEMO. Проекты DEMO разрабатываются в Европе, Китае, России, Южной Корее и других странах. Их цель — показать возможность производства электроэнергии в промышленных масштабах, а также отработать технологию тритиевого цикла.

Параллельно с крупными государственными проектами в последние годы наблюдается бум частных инвестиций в термоядерный синтез. Десятки стартапов (например, Commonwealth Fusion Systems, Helion Energy, Tokamak Energy) предлагают инновационные подходы, такие как использование высокотемпературных сверхпроводников для создания более компактных и дешевых токамаков, что может значительно ускорить путь к коммерческой термоядерной энергии.

Ответ:

Современное состояние исследований по проблеме управляемого термоядерного синтеза характеризуется значительным прогрессом и выходом на ключевой этап демонстрации физической осуществимости. В области магнитного удержания главным проектом является строящийся международный реактор ITER, который должен показать возможность получения энергии с десятикратным увеличением ($Q \ge 10$). В области инерциального синтеза на установке NIF в 2022 году был достигнут исторический результат — "зажигание" реакции с выходом энергии, превышающим энергию лазерного импульса. Основными вызовами остаются создание радиационно-стойких материалов, обеспечение устойчивости плазмы, разработка технологии воспроизводства трития и достижение общей энергетической рентабельности электростанции. Наряду с мегапроектами активно развиваются частные инициативы, предлагающие более компактные и быстрые решения. Путь к коммерческой термоядерной энергетике по-прежнему долог и потребует десятилетий работы, однако достигнутые успехи вселяют уверенность в достижимости этой цели.