Cтраница 3
Второй путь освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. Чтобы осуществить реакцию синтеза, нужно сблизить ядра до расстояний 10 - 12 см, когда проявляется действие ядерных сил. При этом приходится преодолевать кулоновское отталкивание ядер, для чего их необходимо разогнать до очень больших скоростей. Реакции ядерного синтеза становятся возможными при температурах порядка 108 К. Выделяющаяся при слиянии легких ядер энергия в расчете на один нуклон еще больше, чем при распаде тяжелых ядер. [31]
В настоящее время трудности, связанные с поддержанием высоких температур, необходимых для проведения регулируемого ядерного синтеза, все еще не преодолены. Даже если ученым удается контролировать процесс в лаборатории, они не могут дать гарантии, что он сможет давать энергию на практике. Даже при использовании в качестве топлива дешевых и распространенных легких элементов обеспечение условий для протекания реакции обходится слишком дорого. Более того, хотя сама реакция ядерного синтеза дает отходов намного меньше, чем реакция ядерного деления, количество отходов, производимое системами отвода тепла и радиозащиты, не меньше, чем у атомных электростанций, использующих реакцию деления. [32]
Оценка приводит к величине 10 б для вероятности проникновения через барьер и - 1017 сек 1 для частоты вибрации. Отсюда следует, что время, требуемое для ядерного синтеза Н и D, должно быть сравнимо с временем жизни [ i-мезона. В нек - pou доле случаев энергия реакции НЕ) передается ц-мезону, к-рый вылетает с энергией 5 4 Мае, что хорошо совпадает с величиной разности масс HD - Не3, равной 5 4 Мае. В описываемой реакции о-мезон играет роль катализатора реакции ядерного синтеза. [33]
При повышении температуры средняя поступательная энергия также увеличивается и появляется большая вероятность переносов больших энергий. Реакции с разрывами связей протекают все чаще и становится все более и более вероятным возбуждение максимально высоких колебательных состояний. При еще более высоких температурах может происходить электронное возбуждение, включая ионизацию молекул. При чрезвычайно высоких температурах становятся возможными ядерные реакции. В настоящее время основные усилия в поисках условий осуществления реакции ядерного синтеза для получения энергии в больших масштабах направлены на создание и поддержание очень высоких температур ( 107 К и выше) в относительно концентрированном газе. На рис. 19.2 показаны изменения свойств равновесных состояний при различных температурах. На рис. 19.3 приведены истинные равновесные концентрации различных частиц в газообразном кислороде в широком температурном интервале. [34]
Большое впечатление производит совпадение данных на диаграмме. Изучение распространенности элементов в Солнечной системе позволяет судить о темпах их производства в термоядерных реакциях, идущих в недрах звезд. Поэтому нельзя ожидать высокого содержания легких элементов, так как их ядра очень нестабильны, и реакции ядерного синтеза, в которых они могли бы образоваться, немногочисленны. Однако они могут возникать при делении более тяжелых ядер космических лучей. Если на своем пути они пройдут сквозь соответствующее количество вещества, то образуются более легкие осколки. [35]
Фуллерены нашли222 неожиданное применение в физике высоких энергий. Группа французских и шведских ученых на линейном ускорителе разгоняла положительные ионы кластеров С6о ( удается получить одно -, двух - и трехвалентные ионы) до энергии 50 МэВ и использовала их в качестве снарядов, ударяющих по различным мишеням. Бакиболы в отличие от малых по диаметру ионов, не проникают глубоко в образец. Появилась возможность изучать процессы, происходящие при столкновении фуллеренов с твердыми поверхностями, на которые нанесены различные органические пленки. Кроме того, планируют бомбардировать ими мишень, содержащую дейтерий и тритий, в надежде вызвать реакцию ядерного синтеза. [36]
В энергетике недалекого будущего новым источникам энергии отводится ведущая роль. Потребление анергии в промышленных целях на данном этапе развития увеличивается с каждым годом. Обеспечить такой расход энергии только за счет топливных ресурсов земного шара и использования атомной энергии невозможно. Мировые запасы нефти, угля и газа не безграничны. Перспективы ( получения энергии в широких масштабах в результате ядерной реакции деления также проблематичны. Правда, положение может улучшиться при использовании техники реакторов-размножителей и при овладении реакцией ядерного синтеза. [37]
Например, предположим, что в таком ускорителе с помощью пучка дейтронов энергией 1 МэВ бомбардируется мишень из дейтерия, первоначально имеющая комнатную температуру. В лучшем случае только 10 % бомбардирующих дейтронов ( пучок таких дейтронов может содержать всего около 1016 частиц) будет вступать в ядерную реакцию синтеза с участием дейтронов мишени ( возможно, лишь после многочисленных столкновений) и отдавать тем самым часть своей кинетической энергии на термоядерную реакцию. Таким образом, бомбардировка дейтронами высоких энергий приводит в ускорителе лишь к тому, что эти дейтроны как бы растворяются в огромном количестве дейтронов мишени, обладающих низкой энергией. Оказывается, для того чтобы началась самоподдерживающаяся ядерная реакция синтеза, необходимо поднять температуру мишени до нескольких миллионов градусов. Только тогда беспорядочные столкновения, обусловленные тепловым движением дейтронов мишени, будут приводить к достаточно частым реакциям ядерного синтеза, чтобы выделившаяся энергия смогла превзойти энергию бомбардирующих дейтронов. [38]
Определение оптимальной целевой программы УТС зависит, в частности, от перспективы обеспечения мира топливом на ближайшее столетие. Нефть и газ будут сожжены за ближайшую половину века, а сжигание угля нельзя наращивать из-за недопустимого загрязнения им среды обитания. Поэтому недопустимо было бы не иметь возможности использовать такой огромный источник энергии, как ядерная энергия легких элементов. Создание термоядерной энергетики на основе дешевых небольших установок университетского уровня, как предлагает в настоящее время Министерство энергетики США, не имеет под собой достаточно обоснованной научной аргументации. Напротив, опыт прошедших почти 50 лет термоядерных исследований показал, что продвижение к реактору удается только на основе широко развитой теоретической и экспериментальной физики плазмы, приводящей к крупным масштабам установок. Следует учитывать также, что по мере приближения к реактору появляются новые процессы и явления, не всегда предсказываемые теорией. Чем скорее будет достигнуто горение самоподдерживающейся реакции, тем раньше будет известен полный комплекс процессов в реакторе и получена возможность всесторонне его совершенствовать. Только ИТЭР способен дать в ближайшем десятилетии стационарное горение реакции ядерного синтеза. Отказ от ИТЭРа отодвинул бы решение проблемы УТС в неопределенное будущее, а исчерпание ископаемого топлива не ждет. [39]