Тема:
«Термоядерный синтез»
Вопросы нового материала:
1. Термоядерный синтез.
2. Баланс энергии.
3. Проблема термоядерной энергетики.
1 вопрос: Термоядерный синтез
Термоядерный синтез – это дешевый и
экологически безопасный способ добычи энергии. На Солнце уже миллиарды лет
происходит неуправляемый термоядерный синтез – из тяжелого изотопа водорода
дейтерия образуется гелий. При этом выделяется колоссальное количество
энергии. Однако на Земле люди пока не научились управлять подобными
реакциями.
По разным прогнозам, основные источники
электроэнергии на планете закончатся через 50-100 лет. Запасы нефти
человечество исчерпает лет через 40, газа - максимум через 80, а урана -
через 80-100 лет. Запасов угля может хватить лет на 400. Но использование
этого органического топлива, причем в качестве основного, ставит планету за
грань экологической катастрофы. Страны-участницы Киотского протокола,
обсуждая проблемы выживания человечества, "угольные" выбросы
поставили в разряд самых опасных факторов. Если сегодня не остановить столь
нещадное загрязнение атмосферы (а именно угольные станции служат главным
источником ее загрязнения, причем выбрасывают радиоактивных веществ в десятки
раз больше, чем АЭС), ни о каких столетиях не может быть и речи. А значит,
альтернативный источник энергии нам необходим уже в обозримом будущем.
И такой источник есть. Это - термоядерная
энергетика, в которой используется абсолютно нерадиоактивный дейтерий и
радиоактивный тритий, но в объемах в тысячи раз меньших, чем в атомной
энергетике. А в возможных аварийных ситуациях радиоактивный фон вблизи термоядерной
электростанции не превысит природных показателей. При этом на единицу веса
термоядерного топлива получается примерно в 10 млн. раз больше энергии, чем
при сгорании органического топлива, и примерно в 100 раз больше, чем при
расщеплении ядер урана. И источник этот практически неисчерпаем, он основан
на столкновении ядер водорода, а водород - самое распространенное вещество во
Вселенной.
2
Однако проблема управляемого термоядерного
синтеза настолько сложна, что самостоятельно с ней не справится ни одна
страна. Поэтому мировое сообщество избрало самый оптимальный путь - создание
проекта Международного термоядерного экспериментального реактора - ИТЭР, в
котором на сегодня участвуют, кроме России, США, Евросоюз, Япония, Китай и
Южная Корея.
Управляемый термоядерный синтез – процесс
слияния лёгких атомных ядер, происходящий с выделением энергии при высоких температурах
в регулируемых, управляемых условиях. Скорости протекания термоядерных
реакций малы из-за кулоновского отталкивания положительно заряженных ядер.
Поэтому процесс синтеза идёт с заметной интенсивностью только между лёгкими
ядрами, обладающими малым положительным зарядом и только при высоких
температурах, когда кинетическая энергия сталкивающихся ядер оказывается
достаточной для преодоления кулоновского потенциального барьера. В природных
условиях термоядерные реакции между ядрами водорода (протонами) протекают в
недрах звёзд, в частности во внутренних областях Солнца, и служат тем
постоянным источником энергии, который определяет их излучение. Сгорание
водорода в звёздах идёт с малой скоростью, но гигантские размеры и плотности
звёзд обеспечивают непрерывное испускание огромных потоков энергии в течение
миллиардов лет. С несравненно большей скоростью идут реакции между тяжёлыми
изотопами водорода (дейтерием 2H и тритием 3H) с образованием сильно
связанных ядер гелия.
2 вопрос: Баланс энергии
Ранее уже
отмечалось, что ядерная энергия может высвобождаться не только при делении
тяжелых ядер, но также при слиянии (синтезе) легких ядер в более тяжелые. Эти
реакции могут протекать при температуре 107 К и выше. При
нормальных условиях слияние ядер невозможно потому, что положительно
заряженные ядра испытывают огромные силы кулоновского отталкивания. При
синтезе легких ядер задача сводится к тому, чтобы сблизить ядра на такие
расстояния, при которых действие ядерных сил притяжения превышало бы
кулоновские силы отталкивания. Для того чтобы произошло слияние атомных
ядер, необходимо увеличить их подвижность, т. е. увеличить кинетическую
энергию. Это достигается повышением температуры. За счет полученной тепловой
энергии увеличивается подвижность ядер и они могут подойти друг к другу на
такие близкие расстояния, что под действием ядерных сил сцепления сольются в
новое, более сложное ядро.
3
В результате
слияния легких ядер освобождается энергия, так как образовавшееся новое ядро
имеет большую удельную энергию связи. Если при делении тяжелого ядра урана
выделяется энергия порядка 1 МэВ на нуклон, то при синтезе дейтерия и трития
образуется ядро гелия:
Н + Н à Не + п (17,6 МэВ).
Ядро дейтерия имеет
энергию связи 2,2 МэВ, ядро трития — 8,5 МэВ, а гелия — 28,3 МэВ;
следовательно, при реакции выделяется энергия 28,3 МэВ—(2,2 + 8,5) МэВ = 17,6
МэВ, что в пересчете на один Нуклон дает 17,6/5 ≈ 3,52 МэВ, т. е. почти в
четыре раза превосходит эффект реакции деления. Поскольку реакция слияния
легких атомных ядер в более тяжелые происходит при очень высоких температурах
(107 К и выше), такие реакции получили название термоядерных.
Приведенная выше
реакция слияния ядер дейтерия и трития легла в основу создания водородной
бомбы. Запалом в такой бомбе служит атомная бомба, при взрыве которой
возникает температура порядка 107 К, достаточная для протекания
реакция синтеза (которая в данном случае является неуправляемой).
3. Проблема
термоядерной энергетики
Неуправляемые
термоядерные реакции происходят при взрывах водородных бомб, в результате
чего освобождается громадное количество ядерной энергии. Овладеть управляемой
термоядерной реакцией — это значит обладать самым богатым и дешевым
источником энергии. Решение проблемы управляемой термоядерной реакции избавит
человечество от забот об источниках энергии; в этом случае ядерным горючим
станет вода морей и океанов. Но эта энергия может быть получена лишь после
того, когда будут решены проблемы нагревания до огромных температур большого
количества легких ядер и удержания их в таком состоянии в течение заметных
промежутков времени. Работы по овладению управляемыми термоядерными реакциями
ведутся в различных направлениях практически во всех развитых странах мира.
В целях управления
реакцией синтеза водородных ядер и создания управляемых термоядерных
реакторов разрабатываются методы создания очень больших температур в
водородной плазме.
В последнее время с
помощью мощного лазерного излучения, сфокусированного в малом объеме среды,
удалось получить сверхвысокие температуры (≈108К) и вызвать термоядерную
реакцию.
4
Главная трудность в
получении управляемой реакции состоит в том, чтобы обеспечить полную,
изоляцию плазмы от стенок установки, в которой она находится. При
соприкосновении со стенками установки плазма мгновенно охлаждается и перестает
существовать. Следовательно, плазма должна быть окружена вакуумом. Для того
чтобы удержать ее от соприкосновения со стенками установки, применяется магнитная
теплоизоляция. Наиболее перспективной термоядерной установкой является
«Токамак» (тороид, камера, магнит).
В заключение
отметим, что температура, плотность плазмы и время ее удержания, достигнутые
к настоящему времени, пока недостаточно велики для осуществления синтеза
большого количества легких ядер. В настоящее время на установке «Токамак-15»
в институте атомной энергии им. И. В. Курчатова получена плазма с
температурой около 106 К и временем ее удержания около 80 мс.
Опрос
изученного материала
по теме «Физика атома и строение
ядра»
Модели атома
В начале XX века признанной была модель строения атома Томсонов
(Уильяма и Джозефа), образно называвшаяся «пудинг с изюмом», или «кекс»
(см. рисунок).
Однако была и
другая модель (ее автором был японский ученый Нагаока), называвшаяся «сатурнианский
атом», в ней предполагалось, что электроны по общей орбите (как по «кольцу
Сатурна») движутся вокруг ядра с сосредоточенным в нем положительным зарядом.
Опыты Резерфорда
Такое название
получили опыты, которые провели в лаборатории Резерфорда его ученики
Марсден и Гейгер. На металлическую фольгу F направляли поток -частиц
(ядер гелия) и через микроскоп М наблюдали их рассеяние фольгой (по вспышкам
света на экране S из сернистого цинка). Было обнаружено, что большинство
частиц проходит сквозь фольгу практически беспрепятственно, но немногие
частицы отбрасываются почти обратно, отклоняясь ядром. 5
Таким образом,
эксперименты доказали:
1) недостоверность модели Томсонов;
2) существование ядер в атомах.
Состав ядер атомов. Изотопы
Ядро обычного
водорода (протия) представляет собой один протон. Ядра атомов остальных
элементов содержат несколько протонов и нейтронов. Нейтрон не имеет заряда
(хотя, по имеющимся данным, внутри него, как и внутри протона, есть
заряженные частицы, π-мезоны, или «пионы», обоих знаков; у нейтрона их
суммарный заряд равен нулю).
mn
> mp, mn ≈mp + 2,5me,
(mn, mp и me — массы нейтрона, протона и электрона).
И протон, и нейтрон
— нуклоны (ядерные частицы, от «nucleus»
- ядро).
Большинство химических элементов может существовать в виде нескольких изотопов
(веществ, в ядрах атомов которых содержится одинаковое число протонов Np, но различное число нейтронов Nn).
Дефект массы. Энергия связи ядер
Масса «готового» ядра меньше суммы масс
его нуклонов.
Разность ∆m = m (Npmp + Nnmn) < 0 называют дефектом масс
ядра.
Этому дефекту масс соответствует
энергия связи нуклонов в ядре (энергия, с которой они удерживаются там, или
которая нужна для разделения всего ядра на отдельные нуклоны). Обычно
рассматривают удельную энергию связи.
Е
МэВ
А
нукл где МэВ = 1,6.10-13Дж.
Четыре Ядро
нуклона гелия
Ядерные реакции
Это изменения ядер
при взаимодействии друг с другом или с другими «элементарными» частицами
(субатомными, т.е. такими, из которых состоят атомы, или которые образуются
при взаимодействии субатомных частиц).
Радиоактивность
Это
самопроизвольные превращения ядер одних атомов в ядра других с испусканием
трехкомпонентного излучения: ядер гелия (-частицы), быстрых электронов
(β-частицы) и электромагнитных волн типа рентгеновских (γ-лучи).
6
Домино по
теме «Физика атома и строение ядра»
Начало
|
Фи́зика à
|
|
|
|
Область
естествознания, наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные
закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира.
|
Изото́пы à
|
|
|
|
Разновидности
атомов (и ядер) одного химического элемента с разным количеством нейтронов
в ядре.
|
Пери́од
полураспа́да квантовомеханической à
системы (частицы, ядра, атома, энергетического уровня и т. д.)
|
|
|
|
Время T½, в
течение которого система распадается с вероятностью 1/2.
|
Цепна́я
ядерная à
реа́кция
|
|
|
|
Последовательность
единичных ядерных реакций, появившейся как продукт реакции на предыдущем
шаге последовательности.
|
Ядерное эффективное
сечение, эффективное
сечение ядра,
ядерное
сечение реакции
à
|
|
|
|
Величина,
характеризующая
вероятность
взаимодействия
частицы с ядром.
|
Капельная
модель à
ядра
|
|
|
7
|
Модель ядра, в которой ядро рассматривается как капля своеобразной
жидкости, состоящей из протонов и нейтронов, которые движутся в ядре
аналогично молекулам жидкости.
|
Атомное ядро́ à
|
|
|
|
Центральная часть
атома, в которой сосредоточена основная его масса и структура которого
определяет химический элемент, к которому относится атом.
|
Ма́ссовое число́ à
атомного ядра
|
|
|
|
Одна из самых
ранних моделей строения атомного ядра, предложенная Бором, развитая
Френкелем и Уилером, названная формулой Вайцзеккера.
|
Нуклоны à
|
|
|
|
Суммарное
количество протонов и нейтронов (называемых общим термином «нуклоны») в
ядре. Обычно обозначается буквой A.
|
Конец
|
Кроссворд
по теме «Физика атома и строение ядра»
По горизонтали:
1. Единица измерения
спинов (Магнетон)
2. Естественная
радиоактивность солей какого элемента помогла Беккерелю исследованиях ядерной
физики (Уран)
3. Кем было открыто
первое явление из области ядерной физики в 1896г. (Беккерель)
4. Радиоактивность
какого элемента открыли Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри открыли (Торий)
5. Кем было
произведено детальное экспериментальное изучение радиоактивных излучений (Резерфорд)
6. Один из
нуклонов, из которых состоит ядро (Протон)
8
По вертикали:
1. Атомное ядро,
рассматриваемое как класс частиц с определённым числом протонов и нейтронов
(Нуклид)
2. Один из
нуклонов, из которых состоит ядро (Нейтрон)
3. Измерения чего
стали возможными благодаря наличию непосредственно связанных с ними магнитных
моментов (Спины)
Закрепление нового материала
Краткие
выводы
á Большой энергетический эффект
можно получить при синтезе легких элементов. Реакции синтеза ядер требуют
нагревания вещества до очень высоких температур, поэтому эти реакции называют
термоядерными. Овладеть управлением термоядерными реакциями (УТС) — это
значит обладать самым богатым и дешевым источником энергии.
á
Термоядерные
реакции происходят в недрах Солнца и звезд и являются источником энергии,
компенсирующим их излучение. Солнце и звезды представляют собой как бы
гигантские самоподдерживающиеся термоядерные реакторы, в которых протекают
реакции, результатом которых является образование не только легких, но и
тяжелых элементов.
9
Кроссворд
по теме «Термоядерный синтез»
По горизонтали:
1.
1. Изотоп водорода,
применяющийся в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза
(Тритий)
2.
2. Вид реактора для
термоядерного синтеза (Стелларатор)
3.
3. Как называется
термоядерный синтез, который носит управляемый характер? (Управляемый)
4.
4. Советский физик,
предложивший конструктивное решение по управляемому термоядерному синтезу
(Лаврентьев)
5.
5. Бомбардировка чего
вызывает деление тяжелых ядер? (Нейтроны)
По вертикали:
1.
1. Что используют для
создания эффективной магнитной ловушки? (Электромагниты)
2.
2. Самый
распространенный элемент во Вселенной, наилучшее горючее для реакции синтеза
(Водород)
3.
3. Изотоп водорода,
применяющийся в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза (Дейтерий)
4.
4. В какой стране
находится самый крупный в мире действующий токамак? (Великобритания)
5.
5. Вид реактора для
термоядерного синтеза (Токамак)
6.
6. Что выделяется при
делении тяжёлых ядер? (Энергия)
10
Домашнее задание
Задание 1. Используя ключевое слово «Термоядерный синтез»,
составить новые слова и дать им определение.
Задание 2. Подготовить презентацию нового материала
(по теме урока).
Задание 3. Составить «Опорный конспект» по теме урока.
11
|
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.