Ответьте на вопросы, страница 234 - гдз по физике 9 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему ядерная реакция слияния легких ядер происходит только при высоких значениях температуры и давления?

2. Почему термоядерную реакцию тяжело осуществить в земных условиях?

3. Почему разработку реактора для термоядерной реакции считают перспективной?

1. Почему ядерная реакция слияния легких ядер происходит только при высоких значениях температуры и давления?

Ядерная реакция слияния (термоядерный синтез) — это процесс, при котором два легких атомных ядра объединяются, образуя одно более тяжелое ядро. Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов и поэтому имеют положительный электрический заряд. Согласно закону Кулона, одноименно заряженные частицы отталкиваются. Сила этого отталкивания, называемая кулоновским барьером, препятствует сближению ядер.

Чтобы ядра слились, они должны преодолеть этот барьер и сблизиться на расстояние порядка $10^{-15}$ м, где начинают действовать гораздо более мощные, но короткодействующие ядерные силы, которые и свяжут их вместе. Для преодоления кулоновского отталкивания ядрам необходима огромная кинетическая энергия.

Высокая температура как раз и является мерой высокой средней кинетической энергии частиц вещества. Чтобы сообщить ядрам достаточную энергию для слияния, вещество необходимо нагреть до сверхвысоких температур — десятков и сотен миллионов градусов Кельвина. При такой температуре вещество переходит в состояние плазмы, где электроны отделены от ядер.

Высокое давление необходимо для того, чтобы удержать частицы плазмы достаточно близко друг к другу. Чем выше плотность вещества (которая создается давлением), тем больше вероятность столкновений между ядрами и, соответственно, тем интенсивнее будет идти реакция синтеза. В звездах гигантское давление создается их гравитацией.

Ответ: Высокие температура и давление необходимы, чтобы придать положительно заряженным ядрам достаточную кинетическую энергию для преодоления сил электростатического отталкивания (кулоновского барьера) и обеспечить высокую частоту их столкновений для запуска реакции слияния.

2. Почему термоядерную реакцию тяжело осуществить в земных условиях?

Осуществление управляемой термоядерной реакции на Земле является одной из сложнейших научно-технических задач по нескольким причинам:

1. Создание и поддержание экстремальной температуры. Для запуска реакции, например, дейтерий-тритиевого синтеза ($^2_1D + ^3_1T \rightarrow ^4_2He + n$), требуется температура около 150-200 миллионов градусов Цельсия. Это более чем в 10 раз выше температуры в центре Солнца. Достичь и, что еще сложнее, поддерживать такую температуру — чрезвычайно трудно.

2. Проблема удержания плазмы. При таких температурах вещество находится в состоянии плазмы. Ни один из существующих материалов не способен выдержать контакт с ней — он мгновенно испарится. Поэтому плазму необходимо изолировать от стенок реактора. Для этого разрабатываются два основных метода:

- Магнитное удержание: Горячая плазма удерживается в вакуумной камере с помощью мощных магнитных полей сложной конфигурации. Частицы плазмы, будучи заряженными, не могут свободно пересекать линии магнитного поля и движутся вдоль них. Самыми известными установками такого типа являются токамаки и стеллараторы.

- Инерциальное удержание: Крошечную капсулу с термоядерным топливом со всех сторон одновременно и равномерно облучают мощными лазерными или ионными пучками. Это приводит к взрывному сжатию и нагреву топлива до необходимых для синтеза параметров. Реакция происходит за очень короткое время, пока вещество не разлетелось по инерции.

3. Достижение самоподдерживающейся реакции. Чтобы реактор производил больше энергии, чем потребляет на свой разогрев и удержание плазмы, необходимо выполнить так называемый критерий Лоусона. Он связывает три параметра: температуру плазмы ($T$), ее плотность ($n$) и время удержания энергии ($\tau_E$). Достижение необходимых значений произведения $n \tau_E T$ является ключевой задачей.

Ответ: Основные трудности заключаются в необходимости достижения и поддержания сверхвысоких температур (сотни миллионов градусов) и в решении проблемы удержания раскаленной плазмы, которая не может контактировать со стенками реактора.

3. Почему разработку реактора для термоядерной реакции считают перспективной?

Разработка термоядерного реактора считается чрезвычайно перспективным направлением в энергетике, поскольку его успешное создание может решить глобальные энергетические проблемы человечества. Ключевые преимущества термоядерной энергетики:

1. Практически неисчерпаемые запасы топлива. Основными компонентами топлива для наиболее изученной реакции являются дейтерий ($^2H$) и тритий ($^3H$). Дейтерий в больших количествах содержится в обычной воде (примерно 1 грамм на 30 литров). Его запасов в Мировом океане хватит на миллионы лет. Тритий в природе почти не встречается, но его можно получать непосредственно в реакторе из лития ($^6Li$), запасы которого в земной коре также велики.

2. Высокая степень безопасности. Термоядерные реакторы внутренне безопасны. В отличие от ядерных реакторов деления, в них невозможна неконтролируемая цепная реакция, ведущая к расплавлению активной зоны. Количество топлива в камере реактора в любой момент времени очень мало (несколько граммов), и в случае любого сбоя или нарушения удержания плазма мгновенно остывает, и реакция прекращается.

3. Экологическая чистота. Термоядерный синтез не производит выбросов парниковых газов. Основным продуктом реакции является инертный и безопасный гелий. В отличие от атомных электростанций, термоядерные реакторы не создают высокоактивных радиоактивных отходов с большим периодом полураспада. Возникает проблема наведенной радиоактивности в конструкционных материалах реактора из-за нейтронного облучения, но при правильном подборе материалов эта радиоактивность будет короткоживущей (десятки лет, а не тысячи, как у отходов АЭС).

4. Огромный выход энергии. Реакции синтеза выделяют колоссальное количество энергии на единицу массы топлива. Например, энергия, выделяющаяся при слиянии дейтерия и трития, в миллионы раз превышает энергию, получаемую при сжигании аналогичной массы ископаемого топлива.

Ответ: Разработка термоядерного реактора перспективна, так как он может стать практически неисчерпаемым, экологически чистым (без выбросов CO₂ и долгоживущих радиоактивных отходов) и безопасным источником энергии для человечества.