Состав ядра атома. Ядерные силы. Дефект массы и энергия связи ядра атома. Ядерные реакции. Ядерная энергетика.

Их помещают в толстостенные контейнеры из нержавеющей стали, окруженные бетонной защитой, а затем погружают в глубокие шахты.Кроме реакции деления тяжелых ядер, которая сопровождается выделением большой энергии, возможна также реакция синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящая при сверхвысоких температурах (примерно 107 К и выше). Пример такой реакции: Такая реакция называется термоядерной реакцией. Она сопровождается выделением еще большей энергии.Термоядерные реакции – это реакции слияния легких ядер, протекающие при высоких температурах с выделением большого количества энергии. Синтез гелия из водорода протекает при t = 108 ˚C. При синтезе одного грамма гелия выделяется 4,2*1011 Дж. Эта энергия эквивалентна энергии, выделяющейся при полном делении 4 граммов урана или при сжигании 10 тонн дизтоплива. Термоядерные реакции можно встретить в звездах, где температура и давление вещества создают пригодные условия для осуществления слияний. Чтобы два ядра вступили в реакцию термоядерного синтеза, их нужно сблизить на расстояние действия ядерных сил ≈2*10-15 м. При этом средняя кинетическая энергия теплового движения молекул должна превосходить потенциальную энергию кулоновского отталкивания. Расчет необходимой для этого температуры T приводит к величине ≈108-109 К. Это очень высокая температура. При такой температуре вещество переходит в состояние плазмы.Энергия, которая выделяется при реакциях термоядерного синтеза в несколько раз превышает удельную энергию, выделяющуюся в цепных реакциях деления урана. Так, например, в реакции слияния ядер дейтерия и трития выделяется 17,6 МэВ.При этих реакциях количество выделяющейся теплоты настолько велико, что экономически оправдывается добыча дейтерия изморской воды, хотя в ней его содержится всего 1/6300 часть. Так как количество океанской воды на планете колоссально, считается, что освоение управляемойтермоядерной реакциидаст человечеству практически неограниченныйисточник энергии.В земных условиях термоядерный синтез к настоящему времени удалось осуществить только в неуправляемом режиме — при взрыве водородной термоядерной бомбы. Причем инициатором процесса синтеза в нем выступает предварительный взрыв ядерного заряда, при котором развиваются необходимые для начала термоядерной реакции температуры.Предложение об использовании термоядерного синтеза для промышленных целей и конкретная схема с использованием термоизоляции высокотемпературной плазмы электрическим полем были впервые сформулированы советским физиком О.А. Лаврентьевым в работе середины 1950-го года. Эта работа послужила своеобразным катализатором отечественных исследований по проблеме управляемого термоядерного синтеза. Как уже отмечалось выше, к настоящему времени сформировались два в значительной мере независимых подхода к решению проблемы управляемого термоядерного синтеза.Первый из них основан на возможности удержания и термоизоляции высокотемпературной плазмы относительно низкой плотности магнитным полем специальной конфигурации в течение сравнительно длительного времени (t=1-10c). К таким системам относится «ТОКАМАК» (сокращенно от «тороидальная камера с магнитными катушками).Другой путь - импульсный. При импульсном подходе необходимо быстро нагревать и сжимать малые порции вещества до таких температур и плотностей, при которых термоядерные реакции успевали бы эффективно протекать за время существования ничем не удерживаемой или, как говорят, инерциально удерживаемой плазмы. Оценки показывают, что, для того чтобысжать вещество до плотностей (100-1000) г/см3 и нагреть его до температурыТ = 5 -10 кэВ(≈108 градусов Кельвина) необходимо создать давление на поверхности сферической мишени Р = 5*109атм, то есть нужен источник, который позволял бы подвести к поверхности мишени энергию с плотностью мощности ≈1015 Вт/см2. Развитие этого пути связано с лазерным термоядерным синтезом.ТОКАМАК представляет собой тороидальную вакуумную камеру, на которую намотаны катушки для создания тороидального магнитного поля. Из вакуумной камеры сначала откачивают воздух, а затем заполняют её смесью дейтерия и трития, Затем с помощью индуктора в камере создают вихревое электрическое поле. Индуктор представляет собой первичную обмотку большого трансформатора, в котором камера ТОКАМАКа является вторичной обмоткой. Электрическое поле вызывает протекание тока и зажигание в камере плазмы.Протекающий через плазму ток выполняет две задачи:Нагревает плазму так же, как нагревал бы любой проводник (омический нагрев);Создаёт вокруг себя магнитное поле. Это магнитное поле называется коллоидальным (то есть направленное вдоль линий, проходящих через полюсы сферической системы координат).Магнитное поле сжимает протекающий через плазму ток. В результате образуется конфигурация, в которой винтовые магнитные силовые линии «обвивают» плазменный шнур. При этом шаг при вращении в тороидальном направлении не совпадает с шагом в коллоидальном направлении. Магнитные линии оказываются незамкнутыми, они бесконечно много раз закручиваются вокруг тора, образуя, так называемые, «магнитные поверхности» тороидальной формы. Наличие коллоидального поля необходимо для стабильного удержания плазмы в такой системе. Так как оно создаётся за счёт увеличения тока в индукторе, а он не может быть бесконечным, время стабильного существования плазмы в классическом ТОКАМАКе ограничено. Для преодоления этого ограничения разработаны дополнительные способы поддержания тока. Для этого может быть использована инжекция в плазму ускоренных нейтральных атомов дейтерия или трития или микроволновое излучение. Одной из важныхпроблем ТОКАМАКа является обеспечение чистоты плазмы, так как попадающие в плазму примеси прекращают реакцию. Попадают они в плазму со стенок камеры, так как запускаемые в объём рабочие вещества можно очистить, а стенка камеры работает в таких условиях, что проблема из чего и как её сделать получила собственное название: «проблема первой стенки». Всё, что выходит из плазмы (нейтроны, протоны, ионы и электромагнитное излучение в диапазоне от инфракрасного до гамма-лучей) разрушает стенку, и продукты её разрушения попадают в плазму. Проблему стойкости стенок камеры в современных конструкциях наиболее удачно решает бериллий.В экспериментах на «Токамаках» уже сегодня идет реакция синтеза, однако ученым не удается пока добиться положительного энергетического выхода: затраты энергии превышают энергию, выделяющуюся при синтезе.Тем не менее ученые уверены, что создание промышленного термоядерного реактора — дело ближайших десятилетий.Список использованной литературыСивухин Д.В. Общий курс физики. Т.5. Атомная и ядерная физика.– Москва: Наука, 2009. - 416 с.Трофимова Т.И. Курс физики: учеб.пособие для вузов. – Изд. 9-е, перераб. и доп. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 560 с.Бекман И.Н. Ядерная физика. – Москва: Астрель, 2010. - 336 с.Дементьев Б.А. Ядерные реакторы. – Москва: Энергоатомиздат, 1999. - 351 с.Маргулова Т.Х. Атомная энергетика сегодня и завтра. - Москва: Высшая школа, 2006. - 176 с.