Когда ядро человека формируется из свободных частиц (протонов и нейтронов), или когда легкое ядро расширяется, необходимо высвободить энергию связи, и размер оказывается очень важным.
Термоядерные реакции
Энергия была создана миллионы лет назад, когда люди научились использовать огонь. Их огонь давал тепло и свет, он был источником вдохновения и оптимизма, оружием против врагов и диких животных, медицинским, сельскохозяйственным, консервативным и технологическим инструментом.
На протяжении многих лет пожары поддерживали путем сжигания растительной энергии (леса, кустарника, камыша, зелени, сушеных водорослей и т.д.), а затем обнаружили, что для поддержания огня можно использовать ископаемое топливо — углерод, сланец и торф. Выше.
Красивая легенда о Прометее, который поджег людей, появилась в Древней Греции гораздо позже, чем во многих других частях света. Там были завоеваны передовые методы манипулирования, производства и тушения огня, а также поддержания огня и эффективного его использования. Топливо.
Сегодня известно, что древесина — это солнечная энергия, накопленная в процессе фотосинтеза. При сгорании каждого килограмма сухой древесины выделяется около 20 000 кДж тепла, тепловая мощность угольного кофе составляет около 13 000 кДж/кг, антрацита — 25 000 кДж/кг, нефти и нефтепродуктов — 42 000 кДж/кг, природного газа — 45 000 кДж/кг. самая высокая тепловая мощность водорода — 120 000 кДж/кг. .
Человечество нуждается в энергии, и потребность в ней растет с каждым годом. В то же время запасы традиционных видов природного топлива (нефть, углерод, газ и т.д.) конечны. Запасы ядерного топлива из урана и тория также конечны и со временем могут быть произведены за счет плутония в реакторах размножения. Запасы водородного синтеза практически неограниченны, и теперь, в «персональную» эру, ученые смогли контролировать персональный ядерный распад и использовать большое количество энергии, высвобождаемой в ходе этого процесса.
Эти реакции называются термоядерными. Обсуждается в будущем. Название говорит само за себя, поскольку слово «нагреватель» происходит от слова «термос». Это подразумевает температуру. Тепловые реакции — это реакции, происходящие при высоких температурах, где важную роль играет кинетическая энергия индивида. Как мы докажем позже, энергия, выделяемая в термоядерных реакциях, достигает огромных цен. В настоящее время достоверно известно, что тепловые реакции являются основным источником энергии для звезд. В них природа создает условия, при которых происходят эти реакции. Основными примерами термоядерных реакций являются протонно-выгодный цикл (PC-цикл) и цикл Х. Бете CNO. В круге RH четыре протона образуют ядро Солнца (в этом случае два протона должны быть преобразованы в нейтроны). Эта комбинация протонов в ядре Солнца может быть осуществлена разными способами, но результат один и тот же. Энергия выделяется в реакции:.
где DM — избыточная масса четырех протонов по отношению к массе ядра Солнца:.
E = (4 * 1,00727647; 4,002603267) * 931,5016 = 24,687 MEV на ядро.
Эта энергия является очень впечатляющей величиной, учитывая очень высокую интенсивность потока цепи ПП к звезде.
В цикле CNO ядро с номером атома углерода 12 является катализатором. Это означает, что в результате ряда реакций ядро углерода последовательно связывает четыре протона, подвергая ядро распаду, и С снова зарождается.
Элементарные частицы
В 1926 году Эддингтон опубликовал свою книгу «Внутренний страккер звезд». В книге в превосходной форме представлены идеи того времени о физических основах звезд. Эддингтон сам внес большой вклад в формирование этих идей. Еще до него в принципе было понятно, как работают звезды. Однако было неизвестно, откуда именно берется энергия для поддержания излучения звезды.
Тем не менее, было ясно, что богатые водородом звезды могут быть идеальным источником энергии. Ученые знали, что при солнечном преобразовании водорода выделяется столько энергии, что Солнце и другие звезды светят миллиарды лет. Поэтому было ясно, что если он изучит условия, при которых создаются атомы водорода, то найдет отличный источник энергии для звезд. Однако наука тех лет была еще далека от понимания превращения водорода в Солнце в экспериментальных условиях.
Астрофизики того времени могли только верить, что звезды — это гигантские ядерные реакторы. Действительно, невозможно представить какой-либо другой процесс, который мог бы снабжать Солнце энергией в течение миллиардов лет. Более последовательно эту точку зрения выразил Эддингтон. Он был получен в результате многочисленных повторных измерений яркости звезд, проведенных астрономами. К сожалению, физики того времени считали, что отдельные ядра звезд не могут вступать в реакцию.
Эддингтон уже смог рассчитать температуры, которые должны наблюдаться внутри Солнца. По его расчетам, она должна составлять около 40 миллионов очков. Хотя на первый взгляд эта температура кажется очень высокой, ученые в отдельных областях считали, что она недостаточна для осуществления ядерной реакции. При такой температуре люди внутри Солнца движутся друг к другу со скоростью около 1 000 километров в секунду. При таких высоких температурах атомы водорода уже потеряли свои электроны, а протоны уже свободно перемещаются в пространстве. Представьте себе два протона, противоречащих друг другу. Имея скорость 1000 километров в секунду, протоны могут приблизиться друг к другу на очень короткое расстояние, но под действием электрической силы отталкивания они рассеиваются, прежде чем соединиться в ядре. Расчеты показывают, что только при температурах выше 10 миллиардов градусов Цельсия частицы могут двигаться со скоростью, сближаться и сливаться, несмотря на электрическую силу отталкивания. Для преобразования водорода в солнечную энергию физикам показалось, что солнце очень холодное, с температурой 40 миллионов градусов Цельсия. Однако Эддингтон был убежден, что только ядерная энергия может противостоять излучению звезд, и он оказался прав.
Структура атома
Все вокруг нас, во всем своем многообразии, — это камни и минералы, вещества атмосферы и океана, травы и клетки животных, туманности космического газа и звезды. Все они состоят из 92 основных структурных единиц химических элементов. Это было установлено наукой XIX века и, таким образом, упростило картину окружающего нас мира. Эксперименты показывают, что существует три основных типа фундаментальных частиц, из которых состоят атомы: электроны, протоны и нейтроны.
Например, ядро водорода состоит из протонов и вращающихся вокруг них электронов.
Протоны — это положительно заряженные частицы с массой 1,672 *10 кг. Электрон — это отрицательно заряженная частица. Его масса на три порядка меньше массы протона, а заряд электрона такой же, как у протона. Таким образом, индивидуумы обычно нейтральны. Электроны удерживаются в атомах силами кулоновского взаимодействия и поэтому удерживаются ядром. В следующем элементе, солнце, ядро имеет другую конфигурацию, с еще одной новой частицей (или двумя), нейтроном. Нейтроны — это незаряженные (нейтральные) частицы. Как мы увидим позже, протоны стремятся отталкиваться друг от друга, что требует связывания протонов с ядром. Весь гелий Солнца представлен двумя протонами и двумя нейтронами, с двумя электронами на орбите вокруг ядра. Каждый атом и ядро состоят из определенного количества протонов и нейтронов. Поскольку в ядре много протонов, столько же электронов вращаются вокруг ядра в электронной оболочке. Поэтому положительный заряд протонов в ядре в точности аннулируется отрицательным зарядом электронов.
На самом деле, ситуация еще проще. В частности, атомы состоят не из трех субатомных частиц — протонов, нейтронов и электронов, а из двух. В ядре нейтроны могут превращаться в протоны и электроны, последние из которых могут быть выброшены из ядра (расщепление нейтрона преобразует избыточную энергию массы нейтрона относительно протонов и электронов в кинетическую энергию, последних частиц). Последний процесс в физике называется расщеплением. Когда число протонов увеличивается на один, а значит, и электрический заряд, вследствие ядерного деленияЬ, порядок ядра увеличивается, в результате чего образуется ядро нового элемента. Кстати, именно так составлено большинство новейших элементов в периодической таблице. Но вернемся к нашим нейтронам.
Если в результате эксперимента каким-то образом образуется свободный нейтрон, то он нестабилен и разрушается в соответствии с вышеуказанными правилами за 17,3 минуты. Поэтому мы можем сделать вывод, что окружающий нас мир, во всем его многообразии, состоит только из протонов и электронов. Интересно отметить, что химические свойства атома определяют заряд его ядра. В основном это связано с тем, что электроны атома образуют электронную оболочку в соответствии с зарядом ядра, которая (оболочка) определяет химические связи молекулы. По этой причине ядра с разными массовыми числами, но одинаковым ядерным зарядом называются изотопами, поскольку они обладают одинаковыми химическими свойствами, но разными физическими свойствами. Так, например, помимо обычного водорода существует так называемый дейтерий.
В ядре этого изотопа, помимо протонов, есть еще и нейтроны. Этот изотоп называется дейтерием. Он встречается в природе в небольших количествах. Однако количество изотопов этого вещества ограничено. Это происходит потому, что протоны и нейтроны в ядре образуют свою собственную специфическую структуру. Другими словами, существует несколько подуровней, заполненных ядрами (ядра — это протоны и нейтроны, т.е. те, что находятся внутри ядра). (протонов или нейтронов) больше критического значения, в ядре произойдет ядерная реакция. Тяжелый элемент, такой как железо, имеет в своем ядре 26 протонов и 30 нейтронов. Как видите, нейтронов больше, чем протонов. Действительно, из-за кулоновского отталкивания 26 положительно заряженных частиц стремятся разлететься в разные стороны и подавляются так называемой ядерной силой.
Термоядерные реакции — это реакции слияния более легких атомных ядер. Существует два способа его проведения: взрывной и контролируемый. Взрывная реакция осуществляется с помощью водородных бомб и управляемой реакции в термоядерном реакторе.
Что такое термоядерная реакция?
Ядерная энергия может быть получена двумя способами. Тяжелое деление и синтез (слияние) фотонных ядер. В случае легкоядерного синтеза ядерные силы действуют на очень коротком расстоянии и должны встретиться на расстоянии около 10 при минус 12 см. Этому подходу препятствует ядерное кулоновское отталкивание. Это может быть преодолено за счет высокой кинетической энергии ядерного теплообмена. В результате такие реакции могут происходить только при очень высоких температурах. Ядерный синтез, происходящий в нагретых материалах, известен как термоядерный синтез (реакция синтеза).
Рисунок 1. Энергия термоядерного синтеза.
Реакции термоядерного синтеза, происходящие в звездах, играют очень важную роль в эволюции Вселенной. Они являются ядерным источником химических веществ, состоящих из водорода, для звезд.
Уникальной особенностью термоядерных реакций как источника энергии является очень высокое энерговыделение на массу реактора, примерно в 10 миллионов раз больше, чем при химических реакциях. Слияние грамма изотопов водорода эквивалентно сгоранию 10 тонн бензина. Именно поэтому ученые уже давно поставили перед собой цель покорить этот огромный источник энергии. В принципе, мы уже можем получать энергию из термоядерных реакций. Энергия отдельных взрывов может быть использована для нагрева материалов до звездных температур. Это касается водородной бомбы, самого страшного оружия нашего времени. Взрыв ядерного ядра мгновенно нагревает вторую и третью смеси, после чего происходит тепловой взрыв.
Под Солнцем основным источником энергии является реакция протон — протонного цикла, в которой из четырех протонов рождается только одно ядро Солнца. Энергия, выделяемая в процессе термоядерного синтеза, передается от сформулированных ядер, нейтронов, нейтронов и квантов электромагнитного излучения.
Рисунок 2.Солнце.
Условия термоядерного синтеза
Ученые пытаются найти способы применения мирного, контролируемого термоядерного синтеза. Какие условия должны быть выполнены для этого?
Прежде всего, термоядерное топливо должно быть нагрето до температуры, при которой существует разумная вероятность протекания термоядерной реакции. Однако этого недостаточно. При термоядерном синтезе должно выделяться больше энергии, чем необходимо для нагрева материала, или, что еще лучше, быстрые частицы, образующиеся при термоядерном синтезе, должны сами поддерживать необходимую температуру топлива. Это предполагает, что материал, поступающий на плавку, должен быть надежно теплоизолирован окружающей холодной средой, т.е. временем охлаждения, или, как говорят, энергетическим временем.
Требования к температуре и хранению зависят от используемого топлива. Простейший синтез происходит между тяжелыми изотопами водорода Monday и Trito. В результате этой реакции образуются солнечные ядра и нейтроны. Глядя на этот тип, становится ясно, какое действие высвобождается в реакции синтеза.
Рисунок 3.Пример тепловой реакции.
Понедельник встречается на Земле в больших количествах в морской воде. С другой стороны, триты не встречаются в природе. Сегодня их производят искусственно путем облучения лития в ядерных реакторах.
Как неоднократно указывалось выше, скорость термоядерных реакций чувствительна к температуре. Понятно, что даже небольшие изменения температуры оказывают очень большое влияние на концентрацию относительно активных протонов, необходимых для реакции, энергия которых в 20 раз превышает среднюю тепловую энергию.
Термоядерные реакции
В этом видеоуроке вы узнаете о реакции, называемой термоядерной, и о проблемах, с которыми сталкивается человечество при проведении управляемых термоядерных реакций. Вы узнаете, откуда звезды получают энергию, включая наше Солнце.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим обучающим видео в комплекте, вы должны приобрести его в каталоге и добавить в свой личный кабинет.
Конспект урока «Термоядерные реакции»
Мы уже знаем, что тяжелые ядра из конца периодической таблицы элементов склонны к распаду — они известны как реакции деления. В результате этих реакций выделяется большое количество энергии, которую люди научились использовать в своих целях.
Графики зависимости между удельной энергией связи и числом частиц в ядре могут также предсказать другой тип энергоэффективных реакций — реакции синтеза (т.е. слияние легких ядер). Например, изотопы легких элементов водорода, дейтерия и трития имеют более низкую энергию связи. В случае слияния двух таких легких изотопов образуются ядра с высокой энергией связи. Поэтому эти реакции должны сопровождаться выделением энергии.
Как упоминалось выше, частицы ядер удерживаются вместе ядерными силами, которые действуют только на очень коротких расстояниях. Что же требуется для того, чтобы два ядра могли объединиться в одно ядро более тяжелого элемента?
Очевидно, что для «действия» ядерных сил ядра должны находиться очень близко друг к другу. Однако этот подход затруднен из-за электрических сил отталкивания, действующих между положительно заряженными ядрами. Поэтому, чтобы преодолеть эти силы, изотопные ядра должны сначала обладать большой кинетической энергией. А высокая кинетическая энергия теплового движения ядра означает, что материал должен быть горячим.
Реакции слияния света, происходящие при очень высоких температурах (от десятков до сотен миллионов градусов Цельсия), называются термоядерными реакциями.
Простейшим примером реакции синтеза является превращение двух ядер дейтерия в одно ядро гелия.
Если энергия может быть получена с помощью этого процесса, то он в десять раз эффективнее, чем деление урана.
Возможность использования термоядерных реакций открывает перед человечеством новые пути получения энергии. Одним из наиболее перспективных в этом отношении является реакция синтеза между дейтерием и тритием, в результате которой образуется гелий и свободные нейтроны.
Рассчитайте энергию, выделившуюся в результате этой реакции синтеза.
Еще одним преимуществом этой термоядерной реакции является то, что, по данным ученых, запасы дейтерия в океанах планеты составляют около 80 000 км3. Это количество дейтерия может быть использовано для получения такого же количества энергии, которое выделяется при сгорании бензина. Объем бензина во много раз превышает объем океанов. Другими словами, запасы дейтерия практически неисчерпаемы. Кроме того, тритий, который не существует в природе, может быть легко получен в самом термоядерном реакторе, если используется сильный поток нейтронов.
Одной из основных проблем, возникающих при попытках контролируемого термоплавления, является удержание горячей смеси. Эта смесь не должна касаться стенок растения, где оно находится. В противном случае стены испарятся. В середине 20-го века российские ученые Андрей Дмитриевич Сахаров и Игорь Евгеньевич Там предложили использовать специально настроенное магнитное поле для удержания тепловой смеси. Позже эта идея была применена в таких установках, как магнитные катушки «Токомак». Эти установки используют магнитное поле для удержания плазмы из смеси «Понедельник Триш». Поскольку существо представляет собой почти полностью ионизированный газ, на него не влияет магнитное поле. Существо накручивается на кабель и не касается стен камеры, тем самым не причиняя вреда.
