Термоядерные реакции. Тема 6

Июль 22, 2022

Главная
Физика
Термоядерные реакции. Тема 6

Содержание

2. Синтез ядер
3. Синтез легких ядер Из зависимости удельной энергии связи от массового числа следует, что синтез энергетически выгоден
4. Примеры реакций синтеза 2Н + 2Н → 3Н + 1Н + 4,033 МэВ → 3Не +
5. Кулоновский барьер Kулоновское отталкивание частиц, вступающих в реакцию, препятствует их сближению на расстояния порядка 10−13 м,
6. Кулоновский барьер Суммарная кинетическая энергия Et в системе отсчета, связанной с центром инерции, которая требуется для
7. Температура Это соответствует определяемой из условия Et =3kT/2 температуре водородного газа порядка 108 К! Поэтому реакции
8. Водородная плазма Наименьший порядок имеет значение температуры T0 для водородной плазмы. Однако, сечение реакций синтеза протонов
9. Роль плотности Для того, чтобы реакция синтеза была заметной в 1 моле вещества, необходимо, чтобы столкновения
10. Время удержания На это нужно некоторое время удержания τ, в течение которого плазма будет удерживаться в
11. Параметр удержания Из условия баланса мощности и требования стационарности вытекает уравнение nτ = f(T) где f(T)
12. Теоретические оценки nτ Термоядерная реакция должна заметно идти при nτ ≥ f(T). Т, К 3⋅107 108
13. Критерий Лоусона Минимальное значение функции f(T) (и, соответственно, nτ) вместе с соответствующим значением температуры T, при
14. Примеры критерия Лоусона Дейтерий-тритиевая плазма d + t: nτ = 0,5⋅1020 с/м3, Т = 2⋅108 К
15. Термоядерные реакторы
16. Два основных направления исследований разработка квазистационарной системы с временем удержания плазмы порядка нескольких секунд проекты с
17. Первые идеи Начало 1950-х годов: И.Е. Тамм и др, СССР − токамак; L. Spitzer,США − стелларатор
18. Основные направления исследований по УТС с магнитной термоизоляцией открытые (или зеркальные) магнитные ловушки; замкнутые магнитные системы;
19. Открытые ловушки В системах с открытыми ловушками уход частиц из них определяется медленным процессом диффузии поперек
20. Конфигурации магнитных ловушек: тороидальные катушки
21. Адиабатические магнитные ловушки, или магнитные зеркала B B
22. ТОКАМАК В замкнутых магнитных системах инжекции плазмы не происходит, и плазма все время удерживается в области
23. ТОКАМАК
24. Стелларатор Магнитное поле в стеллараторе создается с помощью внешних источников таким образом, что линии индукции многократно
25. Радиационный пояс Земли Магнитные ловушки создаются и природными объектами. Таковым является радиационный пояс Земли. Он представляет
26. Использование лазеров Еще одним способом создания необходимых условий для нагрева и сжатия плазмы является использование интенсивного
27. Метод инерциального удержания плазмы лазерный термоядерный синтез - ЛТС основан на инерции смеси, которая при мгновенном
28. Метод инерциального удержания плазмы Расширяющиеся газы и реактивное давление сжимают сферическую оболочку, наполненную термоядерным горючим -
29. Наиболее современные исследовательские реакторы включают и лазерный синтез, например, установки Shiva и Nova Ливермольской лаборатории (США)
30. ИТЭР создается во Франции и станет первой демонстрационной термоядерной установкой с планируемым нейтронным выходом более 1020
31. Задача ИТЭР демонстрация возможности коммерческого использования термоядерного реактора и решении физических и технологических проблем, которые могут
32. Задача ИТЭР Однако, в результате значительных технических трудностей и неопределённостей, при проектировании и производстве компонентов, сроки
33. IGNITOR Под руководством академика Е.П. Велихова ведутся концептуальные проработки российско-итальянского проекта IGNITOR. IGNITOR - первый проект,
34. IGNITOR ITER
35. ТЕРМОЯДЕРНЫЕ УСТАНОВКИ Демонстрация воспламенения от термоядерного синтеза является важной научно-технической целью современной физики. До тех пор,
36. ТЕРМОЯДЕРНЫЕ УСТАНОВКИ В таком эксперименте также могут быть установлены методы нагрева и стратегии управления зажиганием, горением
37. НЯЦ РК ТОКАМАК В Национальном ядерном центре Республики Казахстан в 2019 году реализован заключительный этап физического
38. НЯЦ РК ТОКАМАК Проведена демонстрация работоспособности установки реактора и ее основных технологических систем с получением плазмы
39. КТМ
40. ЛИТЕРАТУРА 1. Кадомцев, Б.Б. Международный токамак-реактор ИТЕР. Фаза 1 / Б.Б.Кадомцев, В.И.Пистунович //Атомная энергия. − 1983.
42. Скачать презентацию

Слайд 2

Синтез ядер

Слайд 3

Синтез легких ядер
Из зависимости удельной энергии связи от массового числа следует,

что синтез энергетически выгоден для ядер вплоть до A = 56.

Синтез

Слайд 4

Примеры реакций синтеза
2Н + 2Н → 3Н + 1Н + 4,033 МэВ
→ 3Не + n + 3,270 МэВ,
3Н + 1Н → 4Не + γ + 19,814 МэВ
3Н + 2Н → 4Не + n + 17,590 МэВ

→ 5Не + γ + 16,632 МэВ, 5Не →  4Не + n + 0,958 МэВ
3Не + 2Н → 4Не + 1Н + 18,354 МэВ
→ 5Li + γ + 16,388 МэВ, 5Li →  4Не + 1Н + 1,965 МэВ
6Li + 3H  → 24Не + n + 16,117 МэВ
→ 5He + 4Не + 15,160 МэВ
→ 7Li + 2Н + 0,995 МэВ
→ 8Li + 1Н + 0,803 МэВ
→ 8Be + n + 16,023 МэВ, 8Be →  24Не + 0,094 МэВ

Слайд 5

Кулоновский барьер
Kулоновское отталкивание частиц, вступающих в реакцию, препятствует их сближению на

расстояния порядка 10−13 м, на которых, как оказывается, ширина кулоновского барьера отталкивания становится достаточно малой для того, чтобы, благодаря туннельному эффекту, сталкивающиеся частицы могли оказаться в потенциальной яме c преобладанием сильных взаимодействий и соединиться в новое ядро

Слайд 6

Кулоновский барьер
Суммарная кинетическая энергия Et в системе отсчета, связанной с центром

инерции, которая требуется для сближения легких ядер на столь малые расстояния

Слайд 7

Температура
Это соответствует определяемой из условия Et =3kT/2 температуре водородного газа порядка 108 К!

Поэтому реакции синтеза часто называют термоядерными реакциями
T0 ≈ 108Z1Z2 K

Слайд 8

Водородная плазма
Наименьший порядок имеет значение температуры T0 для водородной плазмы.
Однако,

сечение реакций синтеза протонов на 22-23 порядка меньше сечения синтеза ядер дейтерия и трития, так как она сопровождается превращением протона в нейтрон
p + p → d + e+ + νe + 0,420 МэВ

Слайд 9

Роль плотности
Для того, чтобы реакция синтеза была заметной в 1 моле

вещества, необходимо, чтобы столкновения частиц плазмы с энергией свыше 14,4Z1 Z2 кэВ были достаточно частыми
Это может быть достигнуто за счет увеличения концентрации n0 ядер

Слайд 10

Время удержания
На это нужно некоторое время удержания τ, в течение которого

плазма будет удерживаться в некотором объеме с неизменной концентрацией частиц в ней.
При этом внутренняя энергия плазмы в этом объеме должна быть достаточной для разогрева поступившей более холодной плазмы, чтобы некоторая заметная доля ядер смогла вступить в реакцию синтеза.

Слайд 11

Параметр удержания
Из условия баланса мощности и требования стационарности вытекает уравнение
nτ = f(T)

где f(T) − некоторая функция, характеризующая интенсивность процессов, протекающих в плазме.
Величина nτ называется параметром удержания плазмы.

Слайд 12

Теоретические оценки nτ
Термоядерная реакция должна заметно идти при
nτ ≥ f(T).

Т, К

3⋅107 108 3⋅108 109

1019

1020

1021

1022

nτ, с/м3

d + t

d + d

Слайд 13

Критерий Лоусона
Минимальное значение функции f(T) (и, соответственно, nτ) вместе с соответствующим

значением температуры T, при которых может быть осуществлена термоядерная реакция, называется критерием Лоусона.

Слайд 14

Примеры критерия Лоусона
Дейтерий-тритиевая плазма
d + t: nτ = 0,5⋅1020 с/м3, Т = 2⋅108 К
(≈ 17 кэВ).
Дейтериевая плазма
d + d: nτ = 1021 с/м3, Т = 109 К

Слайд 15

Термоядерные реакторы

Слайд 16

Два основных направления исследований
разработка квазистационарной системы с временем удержания плазмы порядка

нескольких секунд
проекты с реакторами, работающими в режиме предельно возможного быстродействия с инерционным удержанием плазмы

Слайд 17

Первые идеи
Начало 1950-х годов:
И.Е. Тамм и др, СССР − токамак;
L. Spitzer,США −

стелларатор
В основу их положен т.н. пинч-эффект − самосжатие плазмы при прохождении через нее электрического тока (по закону Ампера токи, текущие в одинаковых направлениях, притягиваются).
Удержание и термоизоляцию плазмы предлагается осуществить с помощью магнитных полей, так как при указанных выше плотностях и температурах диффузионные потоки частиц и количества теплоты будут настолько большими, что не могут быть сдержаны стенками из какого-либо материала.

Слайд 18

Основные направления исследований по УТС с магнитной термоизоляцией
открытые (или зеркальные) магнитные

ловушки;
замкнутые магнитные системы;
установки импульсного действия.

Слайд 19

Открытые ловушки
В системах с открытыми ловушками уход частиц из них определяется

медленным процессом диффузии поперек линий индукции поля, либо из-за перезарядки ионов (обмена электронами).
Уход плазмы вдоль линий индукции магнитного поля также замедлен из-за создаваемых областей усиленного магнитного поля (т.н. «магнитных зеркал» или «магнитных пробок»).
Заполнение ловушек плазмой обычно ведется путем инжекции плазменных сгустков или пучков частиц.

Слайд 20

Конфигурации магнитных ловушек: тороидальные катушки

Слайд 21

Адиабатические магнитные ловушки, или магнитные зеркала
B
B

Слайд 22

ТОКАМАК
В замкнутых магнитных системах инжекции плазмы не происходит, и плазма все

время удерживается в области между ловушками. Примером такой установки является токамак (сокращение от слов: ТОроидальная Камера с Магнитными Катушками − И.Н. Головин, Н.А. Явлинский, Л.А. Арцимович с сотр., СССР, 1951).
Это − замкнутая магнитная ловушка, имеющая форму тора

Слайд 23

ТОКАМАК

Слайд 24

Стелларатор
Магнитное поле в стеллараторе создается с помощью внешних источников таким образом,

что линии индукции многократно обходят вдоль тора и образуют систему замкнутых, вложенных друг в друга тороидальных магнитных поверхностей.
Вращение магнитного поля осуществляется либо путем навивания проводников на тор, либо путем скручивания тора в восьмерку

Слайд 25

Радиационный пояс Земли
Магнитные ловушки создаются и природными объектами.
Таковым является радиационный

пояс Земли.
Он представляет собой заряженные частицы космического излучения, захваченные магнитным полем Земли.
Устойчивость плазмы в магнитных ловушках обеспечивается за счет электрического контакта захваченной плазмы с ионосферой.

Слайд 26

Использование лазеров
Еще одним способом создания необходимых условий для нагрева и сжатия

плазмы является использование интенсивного лазерного излучения (Н.Г. Басов и др., СССР, 1962), а также интенсивных электронных пучков (Е.К. Завойский, СССР, 1968) или пучками ионов высоких энергий.
Получаемые таким образом реакторы могут быть только импульсными, так как необходимые давление и температура достигаются на очень короткий промежуток времени. Подводимая излучением мощность должна иметь порядок 106 Дж, что, в принципе, достижимо при современном уровне исследований.

Слайд 27

Метод инерциального удержания плазмы
лазерный термоядерный синтез - ЛТС основан на

инерции смеси, которая при мгновенном нагреве, например лазерным импульсом, "разлетается" не сразу. Практически все ныне созданные установки для ЛТС представляют собой камеру, в центр которой помещается дейтерий-тритиевая мишень.
На ней фокусируется излучение нескольких мощных лазерных импульсов длительностью 10-9-10-10 секунды и суммарной мощностью порядка 1014-1015 Вт/см2.

Слайд 28

Метод инерциального удержания плазмы
Расширяющиеся газы и реактивное давление сжимают сферическую

оболочку, наполненную термоядерным горючим - смесью трития с дейтерием или просто дейтерием. примерно в 50 тысяч раз и нагревают его до температуры 10 кэВ (около 120 миллионов градусов).
При этом оболочка ампулы испаряется, давление в смеси возрастает до миллиона атмосфер, а ее плотность - до 50-100 г/см3.
Только при этих условиях, сохраняющихся лишь на время действия лазерного импульса, может начаться термоядерная реакция с выделением нейтронов и большого количества энергии:
D + T = He4 + n + 17,6 МэВ.

Слайд 29

Наиболее современные исследовательские реакторы включают и лазерный синтез, например, установки Shiva

и Nova Ливермольской лаборатории (США) с энергией излучения в импульсе до 120 кДж, "Искра-5" - до 30 кДж в Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ).

Слайд 30

ИТЭР
создается во Франции и станет первой демонстрационной термоядерной установкой с планируемым

нейтронным выходом более 1020 нейтр./c.
Этот проект объединяет финансовые, материальные и людские ресурсы большинства Европейских стран, России, США, Японии.
ИТЭР ― гибридный реактор, состоящий из двух частей, в котором ТОКАМАК служит источником нейтронов с энергией порядка 14 МэВ, и которые вызывают реакции деления в окружающем бланкете, содержащем сырьевые нуклиды (238U или 232Th).
В результате выделяется количество энергии, намного превышающее затраты на создание плазмы.

Слайд 31

Задача ИТЭР
демонстрация возможности коммерческого использования термоядерного реактора и решении физических

и технологических проблем, которые могут встретиться на этом пути.
Проектирование реактора полностью закончено и выбрано место для его строительства — исследовательский центр Кадараш на юге Франции, в 60 км от Марселя. Подготовка строительной площадки в Кадараш на юге Франции началась в январе 2007 года. Стройку, стоимость которой первоначально оценивалась в 5 миллиардов евро, планировалось закончить в 2016 году.

Слайд 32

Задача ИТЭР
Однако, в результате значительных технических трудностей и неопределённостей, при

проектировании и производстве компонентов, сроки неоднократно сдвигались:
в июне 2009 года был согласован перенос даты пуска на 2018 год;
в феврале 2010 года срок был сдвинут на 2019 год;
в ноябре 2015 года срок окончания постройки ITER сдвинули еще на 6 лет (от ранее запланированного 2019) к 2025 году.
Предполагаемая сумма расходов выросла до 19 миллиардов евро.

Слайд 33

IGNITOR
Под руководством академика Е.П. Велихова ведутся концептуальные проработки российско-итальянского проекта IGNITOR.

IGNITOR - первый проект, который предложен для экспериментального подтверждения возможности достижения условий зажигания термоядерной реакции.
Установка характеризуется оптимальной комбинацией высоких магнитный полей (BT = 13 T), компактными размерами (R0~1,32 м), относительно низким характеристическим отношением (A=2,8) и значительным удлинением сечения плазмы и триангуляцией k = 1,83; δ = 0,4) .

Слайд 34

IGNITOR ITER

Слайд 35

ТЕРМОЯДЕРНЫЕ УСТАНОВКИ
Демонстрация воспламенения от термоядерного синтеза является важной научно-технической целью современной

физики.
До тех пор, пока фундаментальные физические проблемы горения термоядерного синтеза не будут определены и подтверждены экспериментом, определяющие концепции термоядерного реактора будут оставаться неопределенными.
Важная ценность базового эксперимента по воспламенению состоит в том, что процесс зажигания будет аналогичным для любой магнитно-ограниченной, преимущественно тепловой плазмы.

Слайд 36

ТЕРМОЯДЕРНЫЕ УСТАНОВКИ
В таком эксперименте также могут быть установлены методы нагрева и

стратегии управления зажиганием, горением и остановом.
Эти три проблемы, демонстрация воспламенения в магнитно-ограниченной плазме, физика процесса воспламенения, а также нагрев и управление горящей плазмой, специально рассматриваются в эксперименте IGNITOR.
Его дизайн был основан главным образом на физических соображениях с момента его создания. Связанные с этим физические исследования вышли за рамки простой идентификации и включают взаимодействие физических процессов, связанных с воспламенением.

Слайд 37

НЯЦ РК ТОКАМАК
В Национальном ядерном центре Республики Казахстан в 2019 году

реализован заключительный этап физического пуска первого в мире специализированного реактора «Токамак», предназначенного для испытания функциональных и конструкционных материалов будущей термоядерной энергетики.
Получен плазменный разряд, удовлетворяющий требованиям второго и заключительного этапа физического пуска установки Казахстанский Токамак Материаловедческий (КТМ).

Слайд 38

НЯЦ РК ТОКАМАК
Проведена демонстрация работоспособности установки реактора и ее основных технологических

систем с получением плазмы в омическом режиме (без использования средств дополнительного нагрева).
«Токамак» является единственным термоядерным реактором в СНГ, который предназначен для испытания материалов будущих термоядерных реакторов в условиях воздействия плазмы, высоких температур и механических воздействий. Предполагается проводить исследования в рамках испытаний ректоров «Брест» на быстрых нейтронах с свинцово-висмутовым теплоносителем.

Слайд 39

КТМ

Слайд 40

ЛИТЕРАТУРА
1. Кадомцев, Б.Б. Международный токамак-реактор ИТЕР. Фаза 1 / Б.Б.Кадомцев, В.И.Пистунович

//Атомная энергия. − 1983. − Т. 54, В. 2.− С. 83.
2. Нагрев и сжатие термоядерных мишеней, облучаемых лазером / Н.Г. Басов [и др.] // Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. –1982.−Т. 26.−С.32.
3. Critical Physics Issues for Ignition Experiments / B. Coppi, A. Airoldi [et al.] // MIT RLE Report PTP 99/06. − 1999.
4. Takeda H. and JT-Team Improved particle control for high integrated plasma performance in Japan Atomic Energy Research Institute Tokamak-60 Upgrade / Takeda H. and JT-Team // Physics of Plasmas. − 2001 − Vol. 8. − Р.2217

Термоядерные реакции. Тема 6

Содержание

Синтез ядер

Синтез легких ядерИз зависимости удельной энергии связи от массового числа следует,

Примеры реакций синтеза 2Н + 2Н → 3Н + 1Н + 4,033 МэВ → 3Не + n + 3,270 МэВ,3Н + 1Н → 4Не + γ + 19,814 МэВ3Н + 2Н → 4Не + n + 17,590 МэВ

Кулоновский барьерKулоновское отталкивание частиц, вступающих в реакцию, препятствует их сближению на

Кулоновский барьерСуммарная кинетическая энергия Et в системе отсчета, связанной с центром

ТемператураЭто соответствует определяемой из условия Et =3kT/2 температуре водородного газа порядка 108 К!

Водородная плазмаНаименьший порядок имеет значение температуры T0 для водородной плазмы. Однако,

Роль плотностиДля того, чтобы реакция синтеза была заметной в 1 моле

Время удержанияНа это нужно некоторое время удержания τ, в течение которого

Параметр удержанияИз условия баланса мощности и требования стационарности вытекает уравнениеnτ = f(T)

Теоретические оценки nτ Термоядерная реакция должна заметно идти при nτ ≥ f(T).

Критерий ЛоусонаМинимальное значение функции f(T) (и, соответственно, nτ) вместе с соответствующим

Примеры критерия ЛоусонаДейтерий-тритиевая плазмаd + t: nτ = 0,5⋅1020 с/м3, Т = 2⋅108 К (≈ 17 кэВ). Дейтериевая плазмаd + d: nτ = 1021 с/м3, Т = 109 К

Термоядерные реакторы

Два основных направления исследованийразработка квазистационарной системы с временем удержания плазмы порядка

Первые идеиНачало 1950-х годов:И.Е. Тамм и др, СССР − токамак; L. Spitzer,США −

Основные направления исследований по УТС с магнитной термоизоляциейоткрытые (или зеркальные) магнитные

Открытые ловушкиВ системах с открытыми ловушками уход частиц из них определяется

Конфигурации магнитных ловушек: тороидальные катушки

Адиабатические магнитные ловушки, или магнитные зеркалаBB

ТОКАМАКВ замкнутых магнитных системах инжекции плазмы не происходит, и плазма все