Использование лазеров для решения проблемы управляемого термоядерного синтеза
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
РЕФЕРАТ
Тема: "Использование лазеров для решения проблемы управляемого термоядерного синтеза"
ВВЕДЕНИЕ
Световой луч! С давних времен человек в своих мечтах видел в нем надежного и могучего помощника, свободно проникающего в темницы, способного разрушить любые преграды и защитить от любого врага. К всемогущему световому лучу, обращались и многие писатели - фантасты. Всемирно известны романы Война миров Герберта Уэллса и Гиперболоид инженера Гарина Алексея Толстого. Правда, в этих романах тепловой или световой луч оказывался в руках сил зла, которые использовали лучи для разрушения, для приобретения власти над человечеством. Люди, же мечтали о луче-труженике, луче-помощнике, луче-созидателе. Этой мечте суждено было сбыться в наше удивительное время. Реальностью стали не чудовищный марсианский генератор тепловых лучей или гиперболоид одержимого идеей мирового господства человека - ненавистника, а лазеры, которые сегодня успешно трудятся в клиниках, на заводах, строительных площадках, в научно-исследовательских лабораториях. Изобретение лазера стоит в одном ряду с наиболее выдающимися достижениями науки и техники XX века. Первый лазер появился в 1960 г., и сразу же началось бурное развитие лазерной техники. В короткое время были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств, предназначенных для решения конкретных научных и технических задач. Лазерной технике всего четверть века, однако, лазеры уже успели завоевать прочные позиции, во многих отраслях народного хозяйства.
1. Необходимость управляемого термоядерного синтеза
В 1954 г. в Советском Союзе вступила в строй первая в мире промышленная атомная электростанция. Тем самым советские ученые и инженеры показали всему миру, что человек может использовать атомную энергию в мирных целях. В течение тридцати последующих лет в СССР был построен целый ряд атомных электростанций, спущены на воду мощные атомные ледоколы. Прирученная человеком атомная энергия - это огромная энергия, освобождаемая при делении тяжелых атомных ядер (например, урана или плутония).
Огромная энергия освобождается также при соединении друг с другом (при синтезе) лёгких атомных ядер - водорода, дейтерия (тяжелого водорода), трития (сверхтяжелого водорода). Ядро дейтерия (D) состоит из протона и нейтрона, а трития (Т) - из протона и двух нейтронов. При взаимодействии этих ядер образуются ядро гелия (?-частица) и свободный нейтрон: D+T>Не+n. Ядро гелия представляет собой весьма прочное образование; энергия связи частиц в нем значительно больше, чем в ядрах дейтерия или трития. Поэтому в реакции синтеза освобождается большое количество энергии: 17,6 МэВ на каждую пару взаимодействующих ядер D и Т. Помноженное на огромное число взаимодействующих водородных ядер это количество энергии и дает ту фантастическую энергию, которая освобождается при взрыве водородной бомбы.
Чтобы реализовать реакцию синтеза легких атомных ядер, необходимо нагреть водородную смесь до температуры свыше 10К (это нужно для того, чтобы атомные ядра могли преодолеть кулоновское расталкивание и сблизиться до расстояний, на которых начинают действовать ядерные силы). По этой причине подобные реакции называют термоядерными; применяется термин термоядерный синтез. В водородной бомбе такие огромные температуры создаются в результате взрыва атомной (урановой) бомбы, играющей в данном случае роль взрывателя. При этом происходят неуправляемые процессы, приводящие к катастрофическим разрушениям.
Над этой проблемой ученые упорно работают вот уже несколько десятков лет. Решение проблемы управляемого термоядерного синтеза имеет исключительно важное значение для человечества, так как это есть решение энергетической проблемы. Сегодня общество удовлетворяет свои потребности в энергии, главным, образом, сжигая уголь, торф, газ, нефть; отчасти (примерно на 10%) эти потребности удовлетворяются за счет энергии гидроэлектростанций и атомных электростанций. К сожалению, природные запасы нефти и газа быстро истощаются. Кроме того, сжигать нефть или газ попросту нерационально; ведь они являются ценным сырьем для получения целого ряда химических продуктов, а также для производства белка.
Вот почему так важно овладеть новым и притом практически неисчерпаемым источником энергии - управляемым термоядерным, синтезом.
2. ПЛАЗМА И ТОПЛИВНЫЙ ЦИКЛ ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
.1 Четвертое состояние вещества
При нагревании все вещества сначала плавятся, потом испаряются и, наконец, переходят в состояние плазмы: молекулы распадаются на атомы, атомы ионизируются, и образуется смесь положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Движение заряженных частиц порождают электрические и магнитные поля, которые влияют на траектории соседних частиц. Поэтому частицы в плазме двигаются согласованно, что отличает ее от обычного газа из электрически нейтральных молекул и делает поведение плазмы чрезвычайно сложным.
Рис. 1 - Струи солнечной плазмы движутся по дугам вдоль силовых линий магнитного поля. Фото: NASA/TRACE
2.2 Цикл термоядерного реактора
Цель управляемого термоядерного синтеза УТС - обеспечить протекание реакции слияния легких ядер. Наибольший интерес с этой точки зрения представляют реакции с участием