Номер 2, страница 88 - гдз по физике 9 класс самостоятельные и контрольные работы Марон, Марон

Глава 4. Строение атома и атомного ядра. Использование энергии атомных ядер. Самостоятельные работы. СР-67. Термоядерная реакция. Вариант 2 - номер 2, страница 88.

Условие.

2. Почему пока не удаётся создать управляемую термоядерную реакцию?

Решение.

Создание управляемой термоядерной реакции — одна из самых сложных научно-технических задач, стоящих перед человечеством. Хотя в лабораторных условиях уже удавалось запустить термоядерные реакции и даже получить больше энергии, чем было затрачено на нагрев плазмы, создание стабильно работающего и экономически выгодного термоядерного реактора пока не удалось по нескольким ключевым причинам.

1. Экстремальные условия для реакции

Для слияния атомных ядер необходимо преодолеть силы электростатического отталкивания между ними. Это требует огромных температур — порядка 150–200 миллионов градусов Цельсия, что в несколько раз выше температуры в ядре Солнца. При таких температурах вещество переходит в состояние плазмы — ионизированного газа, состоящего из свободных электронов и атомных ядер. Создание и поддержание таких экстремальных температур требует колоссальных затрат энергии.

2. Проблема удержания плазмы

Ни один из существующих материалов не способен выдержать контакт с плазмой такой температуры — он мгновенно испарится. Поэтому плазму необходимо удерживать в вакуумной камере, не давая ей соприкасаться со стенками. Существуют два основных подхода к решению этой задачи:

• Магнитное удержание. Поскольку плазма состоит из заряженных частиц, ее можно удерживать с помощью сильных магнитных полей. Наиболее перспективной установкой такого типа является токамак — тороидальная (в форме бублика) камера с магнитными катушками. Однако плазма крайне нестабильна. В ней возникают различные виды турбулентности и неустойчивостей, из-за которых частицы "просачиваются" сквозь магнитное поле и уносят с собой энергию, охлаждая плазму и прерывая реакцию. Обеспечение долгосрочной стабильности плазмы — главная сложность этого метода.
• Инерциальное удержание. В этом методе маленькую капсулу с термоядерным топливом (смесью дейтерия и трития) со всех сторон облучают мощнейшими лазерными или ионными пучками. Это приводит к взрывному сжатию и нагреву топлива до необходимых для синтеза температур. Реакция происходит за крошечные доли секунды, прежде чем капсула успевает разлететься за счет собственной инерции. Сложность заключается в необходимости достижения идеальной симметрии облучения и в огромной энергии, которую нужно подвести к мишени за наносекунды.

3. Критерий Лоусона

Для того чтобы термоядерная реакция стала энергетически выгодной (то есть выделяла больше энергии, чем тратится на ее поддержание), необходимо выполнить так называемый критерий Лоусона. Он гласит, что произведение трех величин — плотности плазмы ($\text{n}$), температуры ($\text{T}$) и времени удержания энергии ($\tau_E$) — должно превысить определенное пороговое значение. Добиться одновременного выполнения всех трех условий крайне сложно: например, при попытке увеличить плотность плазмы часто падает время ее удержания.

4. Проблемы с материалами и конструкцией

В ходе наиболее перспективной дейтерий-тритиевой реакции ($D + T \rightarrow ^4He + n$) образуются высокоэнергетичные нейтроны. Нейтроны не имеют заряда, поэтому они не удерживаются магнитным полем и бомбардируют внутренние стенки реактора. Это вызывает два серьезных следствия:

• Радиационное повреждение. Поток нейтронов со временем разрушает кристаллическую структуру материалов, делая их хрупкими и радиоактивными. Необходимо создать новые материалы, способные выдерживать такую интенсивную бомбардировку в течение десятилетий.
• Воспроизводство топлива. Тритий — один из компонентов топлива — является радиоактивным изотопом с периодом полураспада около 12 лет и в природе практически не встречается. Его необходимо производить непосредственно в реакторе, облучая нейтронами литий, который должен содержаться в специальной оболочке (бланкет) вокруг камеры с плазмой. Создание эффективного бланкета — сложная инженерная задача.

Ответ:

Создать управляемую термоядерную реакцию пока не удается из-за совокупности фундаментальных физических и сложных инженерных проблем. Основные трудности включают: необходимость достижения и поддержания сверхвысоких температур (свыше 150 млн °C), сложность удержания нестабильной плазмы вдали от стенок реактора с помощью магнитных полей или лазерного сжатия, а также разработка материалов, способных выдерживать мощнейшее нейтронное излучение и эффективно воспроизводить один из компонентов топлива — тритий.