тэги:
наука,
техника,
энергия
категория:
наука и техника
ответить
комментировать
в избранное
5 ответов:
старые выше
новые выше
по рейтингу
0
Грустный Роджер
[304K]
2 недели назад
Сначала — что такое управляемая термоядерная реакция и зачем она нужна, но начну издалека. Что такое взаимодействие.
Взаимодействие — это влияние частиц друг на друга. Попросту, частицы взаимодействуют, если между ними возникает сила, которая их отталкивает друг от друга или притягивает друг к другу.
Ядра элементов (голые, без электронов) тоже взаимодействуют, причём понятно как: они отталкиваются, потому что все ядра заряжены положительно. Это банальное кулоновское — электростатическое — отталкивание.
Но ведь протоны в ядре тоже отталкиваются друг от друга — и тем не менее они не разлетаются прочь из ядер тяжёлых элементов. А значит, помимо электростатического отталкивания, есть ещё какая-то сила, которая склеивает их вместе и которая, получается, намного сильнее электростатического отталкивания!
И таки да, такая сила есть, и называется "сильным взаимодействием". Это тоже одно из фундаментальных взаимодействий, то есть оно не сводится к другим — ни к гравитационному, ни к электромагнитному. Само по себе.
И ещё один момент: для любого ядра его масса меньше, чем сумма масс протонов и нейтронов, в него входящих. Численная разница называется "дефектом массы".
Но как мы знаем (или должны знать), энергия и масса эквивалентны. Раз масса ядра меньше суммы масс входящих в него элементарных частиц, значит, при соединении их в одно ядро энергия, эквивалентная дефекту массы, должна выделяться "наружу". Вот на этом и идёт игра в термоядерной реакции.
То есть собсно фишка такой реакции в том, чтобы заставить ядра лёгких элементов соединиться в ядро тяжёлого элемента, тогда эквивалентная дефекту массы энергия выделяется, и её можно как-то захомутать. Вот этим и занят термоядерный реактор. Они заставляет ядра лёгких элементов контролируется образом сливаться в ядра тяжёлых элементов (неконтролируемая реакция — это водородная бомба).
Из того, что тут уже написано, понятно, почему он ядерный. Теперь — почему он термо.
Штука в том, что сильное взаимодействие, которое и склеивает частицы в ядро, действует только на очень коротких расстояниях. Вот на размере ядра ещё действует, а немного больше — фиг. Оно чрезвычайно быстро падает с расстоянием. А вот электростатическое отталкивание действует на больших расстояниях. Значит, для того, чтоб заставить лёгкие ядра склеиться, чтоб заставить работать силы сильного взаимодействия, надо сдвинуть ядра близко-близко, преодолев силы кулоновского отталкивания. Это можно сделать либо сверхбольшим давлением, либо сверхвысокой температурой.
Давление тут должно быть не просто сверхвысоким, а… фантастически высоким. Ну вот того же порядка, что давление в нейтронной звезде. Никаким разумным процессом такое давление не получить. А вот температуру — можно. При достаточно высокой температуре — "всего-то" в десятки миллионов градусов — уже найдутся ядра, которые за счёт своей скорости (гуглим, что такое распределение Максвелла и какой у него физический смысл…) сумеют подлететь друг к другу достаточно близко, чтоб сработало сильное взаимодействие. Вот почему "термо": условия для склеивания лёгких ядер в тяжёлые с выделением огромной энергии создаются путём нагрева газа.
Понятно также, почему лучше для этой цели водород, а не что-то ещё: потому что кулоновский барьер тем ниже, чем меньше заряд ядра. Минимальный заряд — у ядер водорода (+1), поэтому для синтеза тяжёлых ядер из ядер водорода нужна минимальная температура. Для всех прочих, включая и синтез из гелия-3, температура нужна куда выше.
И, чтоб два раза не вставать, почему берут не просто водород, а дейтерий (изотоп водорода, у которого в ядре — протон и нейтрон): потому что масса ядра гелия — 4. А значит, для синтеза одного ядра гелия понадобилось бы случить вместе четыре ядра обычного водорода (четыре протона), что нереально ни по вероятности такой встречи, ни по энергетике. А вот получить 4, сложив 2 и 2, — фигня вопрос.
Ну и наконец про реактор. Термоядерный реактор — это устройство, в котором создаются условия для протекания такой реакции. Как именно создаются — это уже другой вопрос. Сейчас популярны два подхода: один — токамак, где нужная температура достигается пропусканием через ионизированный газ сильного тока, этот же ток и сжимает газ (ток способен сжимать проводник, по которому он протекает, что не штука понять, вспомнив, что параллельные проводники притягиваются). Второй подход — инерционное обжатие мишени лазерными импульсами: небольшой стеклянный или металлический шарик, заполненный дейтерием, равномерно со всех сторон облучается мощным лазерным импульсом. Металл или стекло мгновенно испаряется, и возникающая отдача сжимает дейтерий. Резкое сжатие понимает температуру до значений, при которых часть дейтерия успевает превратиться в гелий с выделением энергии.
ИТЕР конструируется по первому способу. Инерционное обжатие пока что находится на стадии лабораторных опытов.
И ещё одна особенность термоядерного реактора как источника энергии по сравнению с прочими: принципиально прерывистый, импульсный характер работы. Все остальные работают непрерывно. Даже ядерный реактор нужно перезаряжать (заменять отработанные топливо свежим) сравнительно редко — раз в несколько месяцев, а то и лет. Термоядерный реактор требует перезарядки рабочей смеси раз в несколько десятков секунд, а с инерционным обжатием мишени должен работать вообще с темпом пулемёта…
автор вопроса выбрал этот ответ лучшим
комментировать
в избранное
ссылка
отблагодарить
1
SIlm
[7.6K]
2 недели назад
Давайте выясним, для начала, что означает слово "реактор". Реактор — некая отделённая от окружающей среды область, в которой искусственно созданы условия для происхождения неких реакций (в том числе химические, физические, ядерные, термоядерные и др.). Тогда термоядерный реактор — это выделенная зона пространства, в которой созданы физические условия для прохождения термоядерных реакций и в которой, как ни странно, эти реакции и происходят.
Но в технике словом "реактор" именуют техническое приспособление, которое "на выходе" даёт всегда положительное общее значение энергии. Ведь часто для того, что бы реактор начал работать, в него надо "загнать, влить" определённое количество энергии. Так вот, технический реактор на "выходе" всегда должен иметь положительное общее количество энергии.
Для НЕ технического реактора — это совсем не принципиально. Главное создать условия среды, в которых заданная реакция будет исполняться.
Потому сейчас и идут споры….придуман термоядерный реактор, не придуман….. Из известных на сегодня (01.03.2021) мне данных — термоядерных реакторов создано несколько (Тот же ITER). Технического термоядерного реактора нет ни одного, поскольку сейчас у всех существующих физических термоядерных реакторах нужно вложить на несколько порядков больше энергии для получения условий возникновения реакции, нежели получим на выходе.
Потому — итог. Физический термоядерный реактор реально существует, который потребляет энергию для создания зоны для термоядерной реакции (создаёт условия для концентрации в малой области высокотемпературной плазмы, и соответственного давления) методом создания мощных магнитных полей. Но его технический "выхлоп" — отрицателен. Энергии тратится больше на поддержание условий реакции, нежели полученной в её результате.
Технический термоядерный реактор пока что из области фантастики.
комментировать
в избранное
ссылка
отблагодарить
1
rodleoil2
[300K]
2 недели назад
Пока термоядерный реактор не работает ни в одной конфигурации. Даже ITER во Франции, который строят совместно почти два десятка стран, всего лишь экспериментальный образец. В его основе лежит принцип токамака где тороидальный плазменный шнур планируется сжимать до достижения таких давления и температур(миллионы атмосфер и миллионы градусов), что начнется самоподдерживающаяся термоядерная реакция, которой, по расчетам, должно хватить не только на то, чтобы удержаться настолько, что позволит вводить горючее и удалять продукты синтеза, но и поддерживать все оборудование, которое и обеспечивать работу реактора и необходимого оборудования. Однако, само топливо(дейтерий и тритий) редки и недешевы. Расчет ведется из того, что в камере будет не более 1 г. топлива, для запуска ITER понадобится около 3 кг трития (1 г трития стоит около 30 тысяч долларов). Предполагается, что можно будет использовать гелий-3, но на Земле его , практически, нет. Надежда на Луну.
Однако есть и другие виды реакторов. Например, реактор, в котором температура и давление создаются лазерными лучами, которые сжимают и разогревают в центре камеры замороженную капсулу(мишень) с топливом. Считается экономически невыгодным, хотя может быть применим в качестве двигателя космического аппарата. В некоторых конструкциях лазерные лучи могут быть заменены пучками ядер топлива.
комментировать
в избранное
ссылка
отблагодарить
1
Михаиил
[7.1K]
2 недели назад
Он никак не работает. Управляемый термоядерный синтез, нужный для работы такого реактора, пока недоступен (по крайней мере официально). А неуправляемая термоядерная реакция была применена ещё академиком Сахаровым в водородной (термоядерной) бомбе. Но такой "одноразовый" и такой неуправляемый реактор лучше пусть лежит и дальше где-нибудь на складе министерства обороны.
комментировать
в избранное
ссылка
отблагодарить
-1
Strelok30
[111]
2 недели назад
В качестве топлива для термоядерного реактора может выступать Гелий-3, один из изотопов гелия. Он редко встречается на Земле, но его очень много на Луне. На этом строится сюжет одноименного фильма Дункана Джонса. Если вы читаете эту статью, то фильм вам точно понравится.
Реакция ядерного синтеза — это когда два маленьких атомных ядра слепляются в одно большое. Это реакция, обратная ядерному распаду. Например, можно столкнуть два ядра водорода, чтобы получить гелий.
При такой реакции выделяется огромное количество энергии благодаря разности масс: масса частиц до реакции больше, чем масса полученного большого ядра. Эта масса и превращается в энергию благодаря всем известной формуле E=mc2.
Но для того, чтобы произошло слияние двух ядер, надо преодолеть их силу электростатического отталкивания и сильно прижать друг к другу. А на маленьких расстояниях, порядка размера ядер, действуют уже гораздо большие ядерные силы, благодаря которым ядра притягиваются друг к другу и объединяются в одно большое ядро.
Поэтому реакция термоядерного синтеза может проходить только при очень больших температурах, чтобы скорость ядер была такой, что при столкновении им хватило энергии настолько приблизиться друг к другу, чтобы заработали ядерные силы и произошла реакция. Вот откуда в названии взялось «термо-».
комментировать
в избранное
ссылка
отблагодарить