Можливість отримання великої кількості енергії постійно привертає увагу вчених до вивчення термоядерної реакції або синтезу. Застосування нового невичерпного джерела несе в собі великі перспективи. Такі процеси постійно спостерігаються у Всесвіті. Яскравим прикладом є Сонце, масштаби його енерговиділення величезні і тривають вони вже протягом 5 мільярдів років.
Суть процесу
Ядерна енергія може виділятися не тільки поділом важких, але і злиттям легких ядер. Такий процес у фізиці називається термоядерним синтезом. При цьому енергія, яка виділиться після утворення єдиного ядра, в кілька разів більше, ніж під час його розпаду.
Елементи, які необхідні для отримання необхідної реакції — це ізотопи водню і гелію. При цьому водень представлений:
- дейтерій;
- тритій.
Якщо навести приклад рівняння першої реакції, то воно має наступний характер:
12Н + 13н → 42не + 10n
Ізотопи водню дейтерій і тритій, з’єднуючись, формують ядро гелію, і ще утворюється нейтрон. При цьому виділяється велика кількість енергії.
Паралельно проходить друга реакція, яка має наступну формулу:
21Н + 21Н → 42не
Тут видно, що об’єднання відбувається між двома ядрами дейтерію. Ця реакція теж супроводжується великим виходом енергії.
Умови протікання
Для того, щоб водневі ядра злилися в єдине ціле, необхідно їх зближення на дуже малу відстань. Складність полягає в тому, що для цього потрібно подолати силу відштовхування, яка виражається законом Кулона. Відстань, на яку повинні наблизитися атоми водню дорівнює 10-12 см.
Виконати цю умову можна тільки в тому випадку, якщо синтез буде проходити при дуже високих температурах. Ця величина становить близько 108 градусів. Тоді атоми долають потенційний бар’єр, і відбувається їх злиття.
Для досягнення такої температури необхідний звичайний ядерний вибух. Виходить, що на першому етапі відбувається поділ важких ядер. Далі починається сам процес термоядерної реакції.
Цей принцип закладений в пристрій водневої бомби, виробництво якої відбулося ще 60 років тому.
Реакції у Всесвіті
Термоядерна реакція відбувається всередині розпечених зірок. Таким космічним тілом є Сонце. Проходить тут синтез є основним джерелом енергії планети. У космічних тілах термоядерні реакції відбуваються безперервно.
Термоядерна реакція
Відбувається це за рахунок підтримки тут постійно високої температури. Наприклад, на сонці, відбувається регулярне злиття 4 протонів водню, з яких формується ядро гелію. Потім отримана енергія поширюється у всіх напрямках. Її в кожну секунду виділяється така кількість, що людству вистачило б на 1 мільйон років існування.
Термоядерна реакція – це процес, який став визначальним для формування навколишнього нас космічного простору. Тільки завдяки йому, Всесвіт придбав такий вигляд, який має зараз.
Конструкційні розробки
Зараз ведуться розробки конструкцій реакторів, з метою використання термоядерної енергії в мирних цілях. Вона повинна утворюватися в пристроях за тим же типом, як і в космічному просторі. Складність полягає в тому, щоб зробити агрегат керований. Класичним прикладом некерованої установки є воднева бомба. Однак такий пристрій є разовим.
Основне завдання полягає у виготовленні такої конструкції, де б речовина, що міститься в ньому під великою температурою, не стикалося зі стінками агрегату. Така матерія має назву плазма, що являє собою іонізований газ.
В якості захисної перешкоди використовується магнітне поле. Плазма чутлива до нього, тому може утримуватися на відстані від стінок конструкції.
Попри теоретичне вирішення проблеми, в реальності розробки агрегатів тривають вже тривалий час.
Установка “Токамак
Принцип магнітного утримання плазми був запропонований ще в 1950 році радянськими вченими. Через 8 років відбулося створення установки “Токамак Т1”. Основним вузлом в ній була тороїдальна камера, де були встановлені магнітні котушки.
В агрегаті створювалося спеціальне магнітне поле, за допомогою двох видів струмів:
- Тороїдного.
- Полоїдального. Це поле формувалося в плазмовому шнурі.
Попри те що таких конструкцій було випущено до 300 штук, вони не були ідеальними.
Причина полягала в тому, що часом не витримувала високих температур перша стіна агрегату. Навіть застосування тугоплавкого металу вольфрам не давало необхідних результатів.
Концепція столлатора
Нові моделі, що отримали назву столлатори, створені за іншим принципом. Тут магнітні котушки встановлені зовні тороїдальної камери. Це дозволяє агрегат використовувати в безперервному режимі, а не імпульсному, як працював колишній прилад «Токамак Т1». До нестачі конструкції відноситься її велика складність, оскільки вузли були розроблені із застосуванням комп’ютерної графіки.
В даний час такі вироби майже не використовуються через складність їх виготовлення, хоча перспективи роботи у такої моделі великі.
Реактор ІТЕР
У міжнародному мегапроекті зі створення реактора беруть участь 35 держав. Це настільки масштабний і дорогий захід, що одній країні виконати його не під силу. Будівництво було розпочато в 2007 році на півдні Франції. Відповідно до розрахунків важити конструкція буде 23000 тонни. При цьому її діаметр складе 20 метрів.
В якості бази моделі був використаний Токамак. Однак за кількістю виробленої плазми ІТЕР перевершить свого попередника в 10 разів. При цьому температура всередині агрегату становитиме 150 мільйонів градусів.
Для виготовлення такого пристрою задіяні всі сучасні технологи. Це пов’язано з тим, що необхідне магнітне поле буде перевищувати земне в 200 разів.
Коли термоядерні реактори будуть доведені до можливості їх експлуатації, людство чекає поява практично невичерпного джерела енергії. Під час презентації своїх робіт вчені наочно демонструють переваги відкриття нового виду чистої енергії.
Як тільки такий процес стане керований, відразу ж відпаде необхідність в атомних електростанціях, що працюють на Урані 235, якого в природі небагато. Також не будуть потрібні місця для поховання ядерних відходів.
