Ядерные реакции в звездах Физические основы ядерного синтеза Термоядерный синтез в земных условиях Токамак Реакторная технология Перспективы термоядерной энергетики Корпус ядерного реактора

Ядерная физика

Основной нагрев идет за счет джоулева тепловыделения. Сильно нагреваются прежде всего электроны плазмы, менее - ионы. Передача энергии от электронов к ионам идет медленно (из-за малости потока энергии). В этом состоит главное препятствие на пути решения проблемы достим-рииа EumvnY трипрпятуп Ппыуодится ухищряться и применять дополнительные источники нагрева плазмы (высокочастотные поля, инжекцию предварительно разогнанных на ускорителях частиц, диссипацию магнитоакустических волн). Самая мощная подобная установка создана в России (Т-10). В ней достигнуты температуры ионов 15-20 млн. градусов. Это заметно меньше, чем температура, необходимая для поддержания термоядерной реакции.

Рис.15. Принципиальная схема токамака.

Теплоизоляция плазменного шнура и его удержание в токамаках достигается за счет внешнего и собственного магнитных полей. Магнитное поле сжимает плазменный шнур и отрывает его от стенки камеры. Этим достигается идеальная теплоизоляция. К сожалению, такая простая схема не привела к успеху. Плазменный шнур очень неустойчив и "живет" очень короткое время из-за разного рода пульсаций турбулентного типа. Он быстро распадается и вываливается на стенки камеры.

Оказалось, что к неустойчивости приводит комбинация нескольких сложных физических процессов. Здесь были различные виды колебаний и волн в плазме, возникающие в ней местные магнитные поля, блуждающие температурные неоднородности и масса других неожиданностей. Устойчивость плазмы можно повысить путем уменьшения кольцевого тока в плазме и использования для дополнительного нагрева мощных излучатели радиоволн сверхвысокой частоты - гиротронов.

На установке Т-10 время удержания плазмы составляет 0,06 с. Однако для реакции существенно не само время удержания плазмы, а произведение его на плотность плазмы (пт).

Рис.16. Реактор токамак.

Для того чтобы КПД установки был больше единицы, нужно выполнить условие пт>10 м.см" . В установке Т-10 пт=0,06*1020 м/см3, что недостаточно. Можно возлагать надежды на вновь стоящуюся установку Т-15, основным элементом которой является токамак с радиусом тороида равным 15 м.

Обнадеживающим обстоятельством является то, что время удержания растет с увеличением

размеров установки по закону т~ R .

Полученные в России обнадеживающие результаты стимулировали создание токамаков во многих лабораториях мира, а их конфигурация стала предметом интенсивного исследования.

Занятие №88

Состав атомных ядер. Ядерные силы. Дефект массы. Энергия связи ядер.

Протон (от греч. первый, основной)– это положительно заряженная элементарная частица, имеющая массу, превышающую массу электрона в 1836 раз; ядро атома водорода. Протон (наряду с нейтроном) является одним из нуклонов и входит в состав атомных ядер всех химических элементов.

НЕЙТРОН - это электрически нейтральная частица, имеющая массу, в 1839 раз превышающую массу электрона. Свободный нейтрон – нестабильная частица, распадающаяся на протон и электрон.

НУКЛОНЫ – это общее наименование для протонов и нейтронов – частиц, из которых построены атомные ядра.

КВАРКИ – это точечные, бесструктурные образования, относящиеся к истинно элементарным частицам, которые были введены для систематизации многочисленных (более сотни) элементарных частиц, открытых в XX веке (электрон, протон, нейтрон и т.д.).

МАССОВОЕ ЧИСЛО – это число нуклонов (протонов и нейтронов) в атомном ядре. Массовое число равно округленной до целого числа относительной атомной массе элемента. 11Na23,  26Fe55, 13Al27.

СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ – это одно из четырех фундаментальных взаимодействий элементарных частиц, частным проявлением которого являются ядерные силы.

ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНОГО ЯДРА – это минимальная энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны. При образовании ядра из нуклонов происходит уменьшение энергии ядра, что сопровождается уменьшением массы, т. е. масса ядра должна быть меньше суммы масс отдельных нуклонов, образующих это ядро. Мя< Zmp+ Nmn

График зависимости энергии связи ядра от атомного номера

Не считая самых лёгких ядер, удельная энергия связи примерно постоянна и равна 8 МэВ/нуклон.

ДЕФЕКТ МАССЫ: ∆ М= Zmp+ Nmn- Мя

Задача №1. Сколько электронов содержится в электронной оболочке нейтрального атома, в ядре которого содержится 16 протонов и 15 нейтронов.

Задача №2. Сколько протонов Z и сколько нейтронов N в ядре изотопа кислорода 8О17?

Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать § 17.1. Решить задачу: № 1205. Каков состав изотопов неона 10Ne20, 10Ne21 и 10Ne22 ?


Топливо для реакторов на быстрых нейтронах