Урок 23. Проблема управляемого термоядерного синтеза и энергетика будущего
Предмет: Естествознание, 11 класс

Конспект урока

Естествознание, 11 класс

Урок 23. Проблема управляемого термоядерного синтеза и энергетика будущего

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

Каким образом была осуществлена неуправляемая и в чём сложность осуществления управляемой термоядерной реакции?
Что представляет собой «горючее» для термоядерных реакций?

Глоссарий по теме:

Термоядерный синтез –процесс слияния лёгких атомных ядер, проходящий с выделением энергии при высоких температурах.

Неуправляемая термоядерная реакция – на солнце, звёздах, при взрыве водородной бомбы.

Управляемая термоядерная реакция – с использованием плазмы. Пока не создана.

Плазма – частично или полностью ионизированный газ.

Изотопы – элементы с одинаковым атомным номером (числом протонов), но с различным массовым числом (числом нейтронов).

Изотопы водорода – протий, дейтерий, тритий.

Магнитная ловушка для плазмы – пространственная конфигурация магнитного поля для удержания плазмы в некотором объёме.

Токамак – тип тороидальной магнитной ловушки.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Естествознание. 11 класс: Учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017 – §33, С. 106-109.
Физика. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый уровень; профильный уровень/А.В. Грачев, В.А. Погожев, А.М. Салецкий и др.- Вентана-Граф, 2011

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Практическое использование ядерных реакций распада началось с пуска ядерного реактора, в котором воспроизводилась управляемая реакция. Лишь спустя три года появилась возможность провести ядерный взрыв – мощную неуправляемую реакцию ядерного распада.

Совершенно по-другому происходило (и происходит) освоение реакции ядерного синтеза.

Первая неуправляемая термоядерная реакция – взрыв водородной бомбы был произведен в 1952 г.

А вот управляемую реакцию термоядерного синтеза, в результате которой выделялась бы энергия, не удалось осуществить до сих пор. Осуществление управляемых термоядерных реакций даст человечеству новый экологически чистый и практически неисчерпаемый источник энергии.

Разберёмся с условиями. Необходимо создать высокие плотности и сверхвысокие температуры термоядерного горючего. В термоядерном реакторе реакция синтеза должна происходить медленно, должна быть возможность управлять ею.

Термоядерные реакции происходят на солнце и других звёздах. Температура в центре солнца достигает 13 млн градусов, а плотность вещества 100г на 1см3

Создать подобные внеземные условия пока удалось лишь при использовании самого мощного из доступных человеку средств – атомного взрыва.

Рассмотрим, что же такое термоядерное горючее.

Существует множество различных реакций термоядерного синтеза, происходящих с выделением тепла. Однако, чем тяжелее ядра, тем большие у них силы отталкивания, а, следовательно, более высокие температуры необходимы для термоядерного синтеза.

Поэтому в качестве возможных претендентов на термоядерное горючее рассматриваются самые легкие ядра – изотопы водорода, гелия и лития.

Из курса физики и химии вам известны изотопы водорода: протий, дейтерий и тритий. Ядро первого не содержит нейтроны, в ядре второго 1 нейтрон, в ядре трития – 2 нейтрона

Изотопы гелия могут содержать в ядре от двух до четырёх нейтронов.

В настоящее время известно 9 изотопов лития.

Одной из самых «низкотемпературных» является реакция синтеза дейтерия с тритием.

2H + 3H → 4He + n + 17,6 МэВ

Недостатком данной реакции является в первую очередь то, что тритий радиоактивен с малым периодом полураспада, поэтому его мало в природе и нужна защита от радиации.

А вот дейтерия в природе много. И в связи с доступностью дейтерия рассматриваются также возможности использования реакции между двумя ядрами дейтерия, которая может идти по двум каналам.

2H + 2H → 3H + 1H + 4,0 МэВ

2H + 2H → 3He + n + 3,25 МэВ

Продуктом первой реакции получается радиоактивный тритий, следовательно, остаётся проблема защиты от радиации.

Наиболее приемлемая реакция с позиции радиоактивности — это синтез дейтерия с изотопом гелия-3.

2H + 3He → 4He + 1H + 18,3 МэВ

Как исходные продукты, так и продукты реакции не радиоактивны. Однако, лёгкого гелия в природе ничтожно мало.

Имеются данные о том, что 3He достаточно много на Луне, уже появлялись сообщения о том, что оценивается возможность доставки его с Луны на Землю.

Самая сложная проблема, которую нужно решить при конструировании термоядерного реактора, проблема удержания плотной горячей плазмы в течение достаточно длительного времени – порядка одной секунды.

Любое вещество при температурах в десятки миллионов градусов превращается в плазму, поэтому каких-либо стенок для удержания термоядерного горючего создать невозможно.

Выход нашли в использовании электромагнитного поля.

Заряженная частица, попадая в магнитное поле начинает двигаться под действием силы Лоренца по спирали, «накрученной» на линию магнитного поля. А поскольку линии магнитного поля всегда замкнуты, движение заряженной частицы становится ограниченным некоторой областью пространства.

Для создания магнитного поля могут использоваться электромагниты различной формы. В настоящее время существующие проекты предусматривают создание камеры для термоядерного горючего в виде тороида («бублика»). На поверхность тороида наматываются обмотки электромагнита. Создаваемое ими магнитное поле представляет собой замкнутые линии, проходящие внутри тороида. Поскольку скорости частиц огромны, для их «закручивания» необходимы сильные поля, а значит большие токи. Чтобы избежать потерь энергии на нагрев проводов, предполагается использовать обмотки катушек из сверхпроводников, для чего их необходимо охлаждать до температур порядка десяти Кельвинов. Таким образом, сверхвысокие температуры будут «соседствовать» со сверхнизкими.

Магнитные ловушки прекрасно удерживали бы заряженные частицы, если бы эти частицы не сталкивались между собой. В результате столкновений частицы уходят из ловушки, и пока еще проблема удержания до конца не решена.

Для её решения в настоящее время привлекаются самые современные технологии и объединяются усилия учёных разных стран.

Первую термоядерную электростанцию планируют построить во Франции. Особые надежды возлагают на реактор ITER, на создание которого затратили безумное количество средств. это международный проект по созданию экспериментального термоядерного реактора.

По прогнозам ученых, температура плазмы в камере ITER будет составлять около 150 миллионов градусов Цельсия. Российские ученые смоделировали поведение металла в термоядерном реакторе.

Текст задания 1:

Вставьте пропущенные слова: «Основной трудностью при создании ___________реакции термоядерного синтеза является удержание____________, нагретой до миллиарда градусов».

Правильный вариант:

Управляемой (контролируемой), плазмы.

Текст задания 2:

Решите кроссворд.

По горизонтали:

Форма траектории заряженной частицы в магнитном поле.
Явление самопроизвольного распада с испусканием частиц, которое испытывает тритий.
Изотоп водорода с двумя нейтронами в ядре.

По вертикали:

Самый лёгкий изотоп водорода.
Что представляет собой неуправляемая термоядерная реакция?

Правильный вариант: