Номер 4, страница 290 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

4. В чём заключается одна из основных трудностей при осуществлении термоядерных реакций?

4. В чём заключается одна из основных трудностей при осуществлении термоядерных реакций?

Одна из основных и фундаментальных трудностей при осуществлении управляемых термоядерных реакций заключается в необходимости преодоления сил электростатического (кулоновского) отталкивания между положительно заряженными атомными ядрами.

Чтобы лёгкие ядра (например, изотопы водорода — дейтерий $^2_1\text{H}$ и тритий $^3_1\text{H}$) вступили в реакцию синтеза, их необходимо сблизить на чрезвычайно малые расстояния, порядка $10^{-15}$ м. На таких расстояниях начинают действовать мощные, но короткодействующие ядерные силы притяжения, которые и обеспечивают слияние ядер. Однако на больших расстояниях доминируют силы кулоновского отталкивания, так как все ядра имеют положительный заряд. Этот эффект создает так называемый «кулоновский барьер», который мешает ядрам сблизиться.

Для преодоления этого барьера участвующие в реакции ядра должны обладать очень большой кинетической энергией. В условиях термоядерного реактора это означает нагрев рабочего вещества до колоссальных температур — порядка $150-300$ миллионов градусов Цельсия ($ \sim 10^8$ К). При таких температурах вещество переходит в четвертое агрегатное состояние — плазму, представляющую собой полностью ионизированный газ, состоящий из свободных атомных ядер и электронов.

Эта фундаментальная трудность порождает две ключевые инженерно-технические проблемы:

1. Нагрев и удержание плазмы. Не существует материала, который мог бы выдержать контакт с веществом, нагретым до сотен миллионов градусов. Любая стенка реактора при соприкосновении с такой плазмой мгновенно испарится, а сама плазма остынет, и реакция прекратится. Поэтому для изоляции и удержания горячей плазмы используются мощные магнитные поля сложной конфигурации (например, в установках типа "токамак" или "стелларатор"). Создание и поддержание таких полей требует огромных затрат энергии.
2. Выполнение критерия Лоусона. Для того чтобы реакция синтеза стала энергетически выгодной (то есть выделяла больше энергии, чем затрачивается на её поддержание), необходимо одновременно обеспечить три условия: высокую температуру плазмы ($T$), достаточную плотность частиц в ней ($n$) и достаточное время удержания этой плазмы ($\tau$). Это условие известно как критерий Лоусона. Достижение необходимого произведения $n \cdot \tau$ при требуемой температуре и является основной целью современных исследований в области управляемого термоядерного синтеза.

Ответ: Основная трудность заключается в необходимости нагреть вещество до сверхвысоких температур (сотни миллионов градусов), чтобы сообщить ядрам энергию, достаточную для преодоления их взаимного кулоновского отталкивания. Это, в свою очередь, создает сложнейшую инженерную проблему удержания раскаленной плазмы с помощью магнитных полей, не допуская ее контакта со стенками реактора.