Номер 3, страница 244 - гдз по физике 9 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 5. Элементы квантовой физики. Параграф 62. Термоядерные реакции - номер 3, страница 244.

Условие.

3. Какие трудности возникают при реакциях ядерного синтеза?

Решение.

Реакции ядерного синтеза, при которых легкие атомные ядра сливаются с образованием более тяжелых ядер и высвобождением огромного количества энергии, сопряжены с рядом фундаментальных и технологических трудностей. Основные из них следующие:

1. Преодоление кулоновского барьера
Атомные ядра заряжены положительно и поэтому отталкиваются друг от друга с силой, описываемой законом Кулона. Чтобы сблизить ядра на расстояние, на котором начинают действовать короткодействующие, но гораздо более мощные ядерные силы, необходимо преодолеть это электростатическое отталкивание (кулоновский барьер). Для этого ядра должны обладать огромной кинетической энергией, что достигается нагревом вещества до сверхвысоких температур – порядка 100–150 миллионов градусов Цельсия и выше. При таких температурах вещество переходит в состояние плазмы.

2. Удержание плазмы
При температурах, необходимых для термоядерного синтеза, любое вещество мгновенно испаряется. Следовательно, горячую плазму необходимо удерживать так, чтобы она не касалась стенок реактора. Существуют два основных подхода к решению этой проблемы:
Магнитное удержание: Использование мощных магнитных полей сложной конфигурации для изоляции плазмы. Заряженные частицы плазмы (ионы и электроны) движутся по спирали вдоль линий магнитного поля, что не позволяет им достичь стенок камеры. Установки, использующие этот принцип, называются токамаками и стеллараторами.
Инерционное удержание: Сверхбыстрый нагрев и сжатие небольшой мишени с термоядерным топливом (например, дейтерий-тритиевой смеси) с помощью мощных лазерных или ионных пучков. Сжатие происходит настолько быстро, что реакция синтеза успевает произойти до того, как мишень разлетится под действием внутреннего давления.
Оба метода требуют чрезвычайно сложных и энергозатратных технологий.

3. Выполнение критерия Лоусона
Для того чтобы термоядерная реакция стала самоподдерживающейся и производила больше энергии, чем затрачивается на ее запуск и поддержание, необходимо одновременно выполнить три условия, известные как критерий Лоусона. Плазма должна иметь:
1. Достаточно высокую температуру ($\text{T}$).
2. Достаточно высокую плотность частиц ($\text{n}$).
3. Достаточно большое время удержания энергии ($\tau_{E}$).
Произведение этих трех величин, так называемый тройной критерий $n \cdot T \cdot \tau_{E}$, должно превысить определенное пороговое значение. Например, для наиболее легко осуществимой реакции дейтерий-тритиевого синтеза ($^{2}_{1}\text{D} + ^{3}_{1}\text{T} \rightarrow ^{4}_{2}\text{He} + n$) это значение составляет около $5 \times 10^{21} \text{ кэВ} \cdot \text{с} / \text{м}^3$. Одновременное достижение всех трех параметров является одной из самых сложных задач.

4. Проблема материалов
Внутренние стенки и компоненты термоядерного реактора подвергаются экстремальным нагрузкам: мощным потокам нейтронов, альфа-частиц и жесткого излучения, а также высоким тепловым нагрузкам. В частности, в D-T реакции образуются нейтроны с высокой энергией ($14,1 \text{ МэВ}$), которые не удерживаются магнитным полем и бомбардируют стенки реактора. Это приводит к деградации материалов, их активации (превращению в радиоактивные изотопы) и изменению их механических свойств. Создание материалов, способных выдерживать такие условия в течение длительного времени, является ключевой инженерной проблемой.

5. Воспроизводство трития
Наиболее перспективной для энергетики является реакция между дейтерием ($^{2}_{1}\text{D}$) и тритием ($^{3}_{1}\text{T}$). Дейтерий можно в больших количествах получать из морской воды. Однако тритий – это радиоактивный изотоп водорода с периодом полураспада всего 12,3 года, и в природе он практически не встречается. Поэтому термоядерный реактор должен сам производить (воспроизводить) тритий для своего топлива. Это планируется делать с помощью так называемого бланкета – специальной оболочки вокруг вакуумной камеры, содержащей литий. Нейтроны, образующиеся в реакции синтеза, будут взаимодействовать с ядрами лития, производя тритий по реакциям:
$n + ^{6}_{3}\text{Li} \rightarrow ^{3}_{1}\text{T} + ^{4}_{2}\text{He}$
$n + ^{7}_{3}\text{Li} \rightarrow ^{3}_{1}\text{T} + ^{4}_{2}\text{He} + n$
Разработка эффективного и надежного бланкета для воспроизводства трития – еще одна сложная научно-техническая задача.

6. Энергетический баланс
Термоядерный реактор должен генерировать значительно больше энергии, чем потребляется на его работу (нагрев плазмы, работа магнитной системы, систем охлаждения и т.д.). Отношение полученной термоядерной мощности к мощности, затраченной на нагрев плазмы, называется коэффициентом усиления энергии $\text{Q}$. Значение $Q > 1$ означает, что энергии выделилось больше, чем было вложено в плазму (научный паритет). Для коммерческой электростанции требуется $Q \gg 10$, чтобы компенсировать все потери и обеспечить чистый выход энергии. Достижение таких значений $\text{Q}$ пока остается целью текущих и будущих экспериментов.

Ответ:

Основные трудности при осуществлении реакций ядерного синтеза включают: необходимость нагрева топлива до сверхвысоких температур (свыше 100 млн °C) для преодоления кулоновского отталкивания ядер; сложнейшая задача удержания высокотемпературной плазмы с помощью магнитных полей или инерционных методов; необходимость одновременного выполнения критерия Лоусона (достижение требуемых значений температуры, плотности и времени удержания плазмы); разработка материалов, способных выдерживать мощнейшие нейтронные и тепловые потоки; проблема воспроизводства трития (одного из компонентов топлива), который практически отсутствует в природе; и достижение положительного энергетического баланса, при котором реактор производит значительно больше энергии, чем потребляет.