Термоядерный синтез - это способ достижения ядерного синтеза с использованием чрезвычайно высоких температур. Существует две формы термоядерного синтеза: неконтролируемый , при котором получающаяся энергия выделяется неконтролируемым образом, как в термоядерном оружии («водородные бомбы») и в большинстве звезд ; и управляемый , когда реакции синтеза происходят в среде, позволяющей использовать часть или всю высвобождаемую энергию для конструктивных целей.
Требования к температуре [ править ]
Температура - это мера средней кинетической энергии частиц, поэтому при нагревании материала они приобретают энергию. После достижения достаточной температуры, определяемой критерием Лоусона , энергия случайных столкновений в плазме становится достаточно высокой, чтобы преодолеть кулоновский барьер, и частицы могут сливаться вместе.
В реакции синтеза дейтерий-тритий , например, энергия , необходимая для преодоления кулоновского барьера равна 0,1 МэВ . Преобразование энергии в температуру показывает, что барьер в 0,1 МэВ будет преодолен при температуре выше 1,2 миллиарда кельвинов .
Для понижения фактической температуры необходимы два эффекта. Во-первых, температура - это средняя кинетическая энергия, подразумевающая, что некоторые ядра при этой температуре на самом деле будут иметь гораздо более высокую энергию, чем 0,1 МэВ, в то время как другие будут намного ниже. Именно ядра в высокоэнергетическом хвосте распределения скоростей определяют большинство реакций синтеза. Другой эффект - квантовое туннелирование . На самом деле ядрам не обязательно иметь достаточно энергии, чтобы полностью преодолеть кулоновский барьер. Если у них почти достаточно энергии, они могут пройти через оставшийся барьер. По этим причинам топливо при более низких температурах все равно будет подвергаться термоядерным реакциям с меньшей скоростью.
Термоядерный синтез - один из методов, исследуемых в попытках получить термоядерную энергию . Если термоядерный синтез станет благоприятным для использования, он значительно сократит углеродный след в мире.
Заключение [ править ]
Ключевая проблема в достижении термоядерного синтеза - как удержать горячую плазму. Из-за высокой температуры плазма не может находиться в прямом контакте с твердым материалом, поэтому она должна находиться в вакууме . Кроме того, высокие температуры подразумевают высокое давление. Плазма имеет тенденцию немедленно расширяться, и требуется некоторая сила, чтобы противодействовать ей. Эта сила может принимать одну из трех форм: гравитация в звездах, магнитные силы в термоядерных реакторах с магнитным удержанием или инерционная, поскольку реакция термоядерного синтеза может произойти до того, как плазма начнет расширяться, поэтому инерция плазмы удерживает материал вместе.
Гравитационное удержание [ править ]
Одна сила, способная удерживать топливо достаточно хорошо, чтобы удовлетворить критерию Лоусона, - это гравитация . Однако необходимая масса настолько велика, что гравитационное удержание можно найти только в звездах - наименее массивные звезды, способные к устойчивому слиянию, - это красные карлики , в то время как коричневые карлики способны синтезировать дейтерий и литий, если они имеют достаточную массу. У достаточно тяжелых звезд после того , как в их ядрах исчерпывается запас водорода, их ядра (или оболочка вокруг ядра) начинают плавить гелий с углеродом . У наиболее массивных звезд (не менее 8–11 масс Солнца), процесс продолжается до тех пор, пока часть их энергии не будет произведена путем сплавления более легких элементов с железом . Поскольку у железа одна из самых высоких энергий связи , реакции с образованием более тяжелых элементов обычно являются эндотермическими . Следовательно, значительные количества более тяжелых элементов не образуются в стабильные периоды эволюции массивных звезд, а образуются при взрывах сверхновых . Некоторые более легкие звезды также образуют эти элементы во внешних частях звезд в течение длительных периодов времени, поглощая энергию термоядерного синтеза внутри звезды, поглощая нейтроны, испускаемые в процессе термоядерного синтеза.
Теоретически все элементы тяжелее железа имеют некоторую потенциальную энергию. На чрезвычайно тяжелом этапе производства элементов эти более тяжелые элементы могут производить энергию в процессе разделения обратно до размеров железа в процессе ядерного деления . Таким образом, деление ядра высвобождает энергию, которая накапливалась, иногда миллиарды лет назад, во время звездного нуклеосинтеза .
Магнитное удержание [ править ]
Электрически заряженные частицы (например, ионы топлива) будут следовать за линиями магнитного поля (см. Руководящий центр ). Таким образом, термоядерное топливо может быть захвачено с помощью сильного магнитного поля. Существует множество магнитных конфигураций, включая тороидальную геометрию токамаков и стеллараторов, а также системы удержания с открытыми зеркалами.
Инерционное удержание [ править ]
Третий принцип ограничения заключается в приложении быстрого импульса энергии к большой части поверхности таблетки термоядерного топлива, заставляющей ее одновременно «взорваться» и нагреваться до очень высокого давления и температуры. Если топливо достаточно плотное и горячее, скорость реакции термоядерного синтеза будет достаточно высокой, чтобы сжечь значительную часть топлива до того, как оно рассеется. Для достижения этих экстремальных условий первоначально холодное топливо должно быть сжато взрывом. Инерционное удержание используется в водородной бомбе , где драйвером являются рентгеновские лучи, создаваемые бомбой деления. Инерционное удержание также предпринимается в "управляемом" ядерном синтезе, где драйвером является лазер , ионный или электронный пучок, или Z-пинч.. Другой метод заключается в использовании обычного взрывчатого вещества для сжатия топлива до условий плавления. [1] [2] Взрывная установка UTIAS использовалась для создания стабильных, центрированных и сфокусированных полусферических взрывов [3] для генерации нейтронов от DD-реакций. Самый простой и наиболее прямой метод оказался в predetonated стехиометрической смеси дейтерия - кислород . Другой успешный метод использует миниатюрный Войтенко~d компрессор , [4] , где плоскость диафрагма была обусловлена имплозией волной во вторичную малую сферическую полость , которая содержала чистый дейтерийгаз при одной атмосфере. [5]
Электростатическое удержание [ править ]
Существуют также термоядерные устройства с электростатическим удержанием . Эти устройства удерживают ионы с помощью электростатических полей. Самый известный - фузор . Это устройство имеет катод внутри анодной проволочной сетки. Положительные ионы летят к отрицательной внутренней клетке и при этом нагреваются электрическим полем. Если они не попадут во внутреннюю клетку, они могут столкнуться и взорваться. Однако ионы обычно попадают на катод, создавая недопустимо высокие потери проводимости . Кроме того, скорость синтеза в фузорах очень низкая из-за конкурирующих физических эффектов, таких как потеря энергии в виде светового излучения. [6]Были предложены конструкции, позволяющие избежать проблем, связанных с клеткой, путем создания поля с использованием ненейтрального облака. Они включают в себя плазменный колебательное устройство, [7] в ловушку Пеннинга и Polywell . [8] Однако технология относительно незрелая, и многие научные и инженерные вопросы остаются нерешенными.
См. Также [ править ]
- Термоядерное оружие
- Сила термоядерного синтеза
- Термоядерная реакция
Ссылки [ править ]
- ^ Ф. Винтерберг " Предполагаемые метастабильные сверхвзрывчатые вещества, образованные под высоким давлением для термоядерного зажигания "
- ^ Чжан, Фань; Мюррей, Стивен Берк; Хиггинс, Эндрю (2005) " Метод сверхсжатой детонации и устройство для осуществления такой детонации [ мертвое звено ] "
- ^ II Стекло и JC Poinssot « имплозия ударной ТРУБЫ ». НАСА
- ^ D.Sagie и II Glass (1982) " Взрывные полусферические имплозии для создания термоядерной плазмы "
- ^ Т. Сайто, AK Kudian и II Glass " Измерения температуры фокуса имплозии "
- ^ Ионный поток и реакционная способность термоядерного синтеза, характеристика сферически сходящегося ионного фокуса. Докторская диссертация, доктор Тимоти Торсон, Висконсин-Мэдисон, 1996 г.
- ^ "Стабильные, тепловое равновесие, сферические плазменные колебания большой амплитуды в устройствах электростатического удержания", Д.К. Барнс и Рик Небель, ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, ТОМ 5, НОМЕР 7 ИЮЛЯ 1998 г.
- ^ Карр, М .; Хачан, Дж. (2013). «Смещенный зондовый анализ формирования потенциальной ямы только в электронном магнитном поле Поливелла с низким бета-коэффициентом». Physics of Plasmas 20 (5): 052504. Bibcode : 2013PhPl ... 20e2504C . DOI : 10,1063 / 1,4804279
