Современные проблемы УТС (Багрянский, Бурдаков, Шошин) (1248471)
Текст из файла
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮНОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТКафедра физики плазмыП. А. Багрянский, А. В. Бурдаков, А. А. ШошинСОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЯЕМОГОЯДЕРНОГО СИНТЕЗАУчебное пособиеНовосибирск2010УДК 533.9+621.039.6(075)ББК В333.4я73-1Б 148Багрянский П. А., Бурдаков А. В., Шошин А.
А. Современные проблемы управляемого ядерного синтеза: учебное пособие /Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2010. 73 с.ISBN 978-5-94356-939-5Учебное пособие соответствует части курса «Физика плазмы» и однойиз лекций курса «Современная экспериментальная физика», читаемых магистрантам физического факультета Новосибирского государственногоуниверситета. В пособии описана физика получения энергии из реакцийсинтеза легких элементов, объяснены и сформулированы условия, при которых выделяемая энергия больше затрачиваемой. Обсуждаются возможные схемы термоядерных реакторов: токамаки, открытые ловушки (активно разрабатываемые в Институте ядерной физики СО РАН), инерциальныйтермояд с лазерным сжатием мишени, мюонный катализ. Подробно рассмотрена проблема выбора материала первой стенки термоядерного реактора.
В обзоре имеется краткий исторический очерк освоения энергииядерного синтеза, обсуждаются дальнейшие перспективы данного направления для решения энергетической проблемы.Пособие предназначено для широкого круга читателей: студентовфизиков и магистрантов «неплазменных» специальностей, преподавателейфизики и научных сотрудников, желающих ознакомиться с состоянием делпо одному из важнейших направлений физики.Рецензентд-р физ.-мат. наук, проф., главный научный сотрудник ИЯФ СО РАНВ. И. ТельновИздание подготовлено в рамках реализации Программы развития государственного образовательного учреждения высшего профессиональногообразования «Новосибирский государственный университет» на 2009–2018 годы. Новосибирский государственныйуниверситет, 2010ISBN 978-5-94356-939-5 П. А. Багрянский, А. В.
Бурдаков,А. А. Шошин, 20102ОГЛАВЛЕНИЕПредисловие .............................................................................................. 41. Термоядерные реакции.......................................................................... 42. Ядерный синтез и глобальная энергетическая проблема ..................... 73.
Мюонный катализ ............................................................................... 174. Горячая плазма и критерий Лоусона................................................... 195. Водородная бомба ...............................................................................
236. Инерциальный УТС............................................................................. 277. Магнитная термоизоляция .................................................................. 358. Замкнутые магнитные системы........................................................... 379. Ловушки открытого типа ....................................................................
4410. Задачи термоядерного материаловедения......................................... 61Вместо заключения ................................................................................. 69Список литературы ................................................................................. 703ПРЕДИСЛОВИЕПредлагаемое учебное пособие ориентировано на студентов-физиковстарших курсов «неплазменных» специальностей. Оно представляет собойкраткий и упрощенный обзор исследований в области управляемого термоядерного синтеза, активно изучающегося в последние шестьдесят лет.Главная задача, которую поставили перед собой авторы, состоит в знакомстве читателя с основными идеями, выработанными за более чем полувековую историю развития этого направления физики.
Кроме того, в пособии говорится о наиболее существенных результатах, полученных на сегодняшний день, и обозначаются перспективы дальнейшего развития исследований по основным направлениям управляемого термоядерного синтеза.Авторы выражают глубокую признательность В. В. Поступаеву за рядценных консультаций. Работа выполнена при частичной поддержке грантов Министерства образования и науки РФ: АВЦП РНПВШ 2.1.1/579,ФЦП «Кадры»: НК-88П-4, госконтракт № П969 от 20 августа 2009 г., НК147П-10, госконтракт № П1580 от 10 сентября 2009 г., гранты 2.1.1/3983,2.1.1./3465, госконтракт 02.518.11.7113, госконтракт 14.740.11.0053 от6 сентября 2010 г.1.
ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИТермоядерная реакция (или реакция ядерного синтеза) —разновидность ядерной реакции, в которой при столкновении легкихатомных ядер образуются более тяжелые. Для того чтобы произошлареакциясинтеза,исходныеядрадолжныпреодолетьсилуэлектростатического отталкивания, для этого они должны иметь большуюкинетическую энергию. Если предположить, что кинетическая энергияядер определяется их тепловым движением, то можно сказать, что дляреакции синтеза нужна большая температура.
Поэтому такая реакцияназвана термоядерной.Атомные ядра имеют положительные электрические заряды,экранированные на больших расстояниях электронами. Однако для того,чтобы произошло слияние ядер, они должны сблизиться на расстояние, накотором действует сильное взаимодействие. На таких расстояниях,порядка размера самих ядер и во много раз меньше размера атома,электронные оболочки атомов (даже если бы они сохранились) уже немогут экранировать заряды ядер, поэтому они испытывают сильноеэлектростатическое отталкивание, сила которого, в соответствии с закономКулона, обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами.На расстояниях порядка размера ядер величина сильного взаимодействия,4стремящегося их связать, начинает быстро возрастать и становится большевеличины кулоновского отталкивания.Таким образом, чтобы вступить в реакцию, ядра должны преодолетьпотенциальный барьер.
Например, для реакции дейтерий-тритий величинаэтого барьера составляет примерно 0,1 МэВ. Для сравнения, энергияионизации водорода – 13 эВ. Нагретое вещество, частицы которого имеютхарактерные энергии масштаба 0,1 МэВ, будет представлять собойпрактически полностью ионизированную плазму.Таблица 1. Термоядерные реакции для элементов с небольшимзначением Z(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)DDDDT3He3He3He3HeDP3HeP+++++++++++++TDD3HeT3HeTTT6Li6Li6Li11B4→He (3,5 MeV) +→T (1,01 MeV) +3→He (0,82 MeV) +4He (3,6 MeV) +→4→He+4→He+4→He+4→He (4,8 MeV) +4→He (0,5 MeV) +→ 2 4He + 22,4 MeV4→He (1,7 MeV) +4+→ 2 He→ 3 4He + 8,7 MeVn (14,1 MeV)p (3,02 MeV)n (2,45 MeV)p (14,7 MeV)2 n + 11,3 MeV2 p +12,9 MeVp + n + 12,1 MeVD (9,5 MeV)n (1,9 MeV) + p (11,9 MeV)3He (2,3 MeV)p + 16,9 MeVВ табл.
1 вероятности реакций 2 и 3 равновероятны, у реакций 7–9соотношение 51, 43 и 6 % соответственно.Если перевести 0,1 МэВ в температуру, то получится примерно 109 °K.Однако есть два эффекта, которые снижают температуру, необходимуюдля термоядерной реакции. Во-первых, температура характеризует лишьсреднюю кинетическую энергию, есть частицы как с меньшей энергией,так и с большей. На самом деле в термоядерной реакции участвуетнебольшое количество ядер, имеющих энергию намного больше средней(так называемый «хвост максвелловского распределения»).
Во-вторых,благодаря квантовым эффектам ядра не обязательно должны иметьэнергию, превышающую кулоновский барьер. Если их энергия немногоменьше барьера, они могут с большой вероятностью туннелировать сквозьнего. Этот же факт туннелирования используется в мюонном катализереакций ядерного синтеза (п. 3).5Реакции ядерного синтеза были открыты в начале 30-х гг. прошлоговека в экспериментах с бомбардировкой мишеней ускоренными ядрамиразличных элементов.
Началом серии исследований в этом направлениипослужили результаты экспериментов Дж. Кокрофта и Э. Уолтона,которые в 1932 г. в Кавендишской лаборатории (Кембридж,Великобритания) создали первый в мире ускоритель заряженных частиц ипродемонстрировали возможность осуществления трансмутации ядер спомощью ускорителя.nРис. 1. Зависимости сечения от энергии для основных термоядерныхреакцийКакпоказалГ.Гамов,вероятностьреакциимежду− KZ1Z 2 / Wдвумясближающимися легкими ядрами пропорциональна e, где e –основание натуральных логарифмов, Z1 и Z2 – числа протонов вовзаимодействующих ядрах, W – энергия их относительного сближения, аK – постоянный множитель. Энергия, необходимая для осуществленияреакции, зависит от числа протонов в каждом ядре.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
