Номер 3, страница 345 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Вопросы к параграфу. Параграф 92. Применение ядерной энергии. Глава 12. Физика атомного ядра - номер 3, страница 345.

Условие.

3. Какие трудности возникают при создании термоядерного реактора?

Решение.

Решение 2.

Создание управляемого термоядерного реактора — одна из самых сложных научно-технических задач, стоящих перед человечеством. Трудности носят комплексный характер и затрагивают фундаментальную физику плазмы, материаловедение, ядерную инженерию и другие области. Основные проблемы можно свести к следующим:

1. Достижение и удержание экстремально высоких температур

Для запуска термоядерной реакции синтеза, например, дейтерия и трития ($D-T$ реакция), необходимо нагреть топливо до температур порядка 150–200 миллионов градусов Цельсия. Это более чем в 10 раз превышает температуру ядра Солнца. При таких температурах вещество переходит в состояние плазмы — ионизированного газа, состоящего из свободных ионов и электронов. Никакой конструкционный материал не способен выдержать прямой контакт с такой плазмой. Поэтому основная задача — изолировать горячую плазму от стенок реактора. Наиболее перспективным методом является магнитное удержание, при котором плазма удерживается в вакуумной камере с помощью сильных магнитных полей сложной конфигурации (как в установках типа токамак или стелларатор). Создание и поддержание таких полей требует огромных затрат энергии и сложнейших сверхпроводящих магнитных систем.
Ответ: Основная трудность заключается в необходимости нагрева топлива до сотен миллионов градусов и его удержании в состоянии плазмы без контакта со стенками реактора, что достигается с помощью мощных и сложных магнитных полей.

2. Выполнение критерия Лоусона

Для того чтобы термоядерный реактор производил больше энергии, чем потребляет, необходимо не только достичь высокой температуры ($T$), но и обеспечить достаточную плотность плазмы ($n$) и удержать ее в таком состоянии на протяжении определенного времени (время удержания энергии, $\tau_E$). Эти три параметра связывает критерий Лоусона. Для практического зажигания реакции так называемый тройной критерий должен превышать определенное значение, которое для D-T реакции составляет примерно $n \cdot \tau_E \cdot T > 5 \times 10^{21} \text{ м}^{-3} \cdot \text{с} \cdot \text{кэВ}$. Достижение этого порога одновременно по всем трем параметрам является чрезвычайно сложной задачей, так как улучшение одного параметра часто приводит к ухудшению другого.
Ответ: Трудность состоит в одновременном достижении и поддержании трех ключевых параметров плазмы — высокой температуры, плотности и длительного времени удержания — на уровне, достаточном для самоподдерживающейся реакции, генерирующей избыточную энергию.

3. Проблема материалов, контактирующих с плазмой

Несмотря на магнитную изоляцию, стенки вакуумной камеры реактора (так называемая "первая стенка") подвергаются экстремальным нагрузкам. Они испытывают воздействие мощного потока нейтронов с энергией 14.1 МэВ (в D-T реакции), теплового излучения и частиц, покидающих плазму. Нейтронное облучение приводит к деградации материалов: они становятся хрупкими, распухают и накапливают радиационные повреждения, что сокращает срок их службы. Кроме того, бомбардировка нейтронами активирует материалы, делая их радиоактивными. Необходимо разработать новые материалы, способные выдерживать такие условия на протяжении десятилетий, чтобы сделать термоядерную энергетику экономически выгодной.
Ответ: Сложность заключается в создании материалов для внутренней стенки реактора, которые могли бы долгое время выдерживать интенсивное нейтронное облучение, высокие тепловые нагрузки и потоки частиц, не теряя своих механических свойств и не становясь чрезмерно радиоактивными.

4. Воспроизводство трития

Наиболее доступная для реализации термоядерная реакция использует в качестве топлива дейтерий ($^2_1D$) и тритий ($^3_1T$). Дейтерий можно в больших количествах извлекать из морской воды. Однако тритий — это радиоактивный изотоп водорода с периодом полураспада всего 12.3 года, и в природе он практически не встречается. Его необходимо производить (или "нарабатывать") непосредственно в самом реакторе. Для этого планируется использовать так называемый бланкет — специальную оболочку, окружающую плазму и содержащую литий. Нейтроны, образующиеся в ходе реакции синтеза, будут взаимодействовать с ядрами лития, производя тритий по реакциям: $^6_3Li + n \rightarrow ^4_2He + ^3_1T$ и $^7_3Li + n \rightarrow ^4_2He + ^3_1T + n$. Создание эффективного бланкета, который бы производил трития больше, чем расходуется в реакции (коэффициент воспроизводства > 1), является сложной инженерной задачей.
Ответ: Необходимо создать систему (бланкет) внутри реактора для непрерывного производства редкого и радиоактивного компонента топлива, трития, из лития под действием нейтронов, причем производить его нужно в количествах, превышающих расход.

5. Извлечение энергии и обеспечение стабильности

Энергия, выделяющаяся в D-T реакции, на 80% уносится быстрыми нейтронами. Эти нейтроны не удерживаются магнитным полем и поглощаются бланкетом и стенками реактора, нагревая их. Необходимо создать эффективную систему теплоносителя, которая будет отводить это тепло и использовать его для производства электроэнергии (например, через паровую турбину), аналогично традиционным АЭС. Другая серьезная проблема — это неустойчивости плазмы. Плазма — это крайне сложная и динамичная среда. Различные типы неустойчивостей могут привести к срыву удержания (дизрупции), при котором вся накопленная в плазме энергия за доли секунды выбрасывается на стенки камеры, что может привести к их серьезному повреждению. Разработка систем предсказания и подавления таких неустойчивостей является ключевым направлением исследований.
Ответ: Трудности связаны с разработкой надежной системы отвода огромной тепловой энергии, переносимой нейтронами, и с созданием систем контроля, способных предотвращать или смягчать плазменные неустойчивости, которые могут повредить реактор.