ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ - 11 класс

Интеграция предметов: физика — химия.

Пояснительная записка: на уроке понадобятся плакат реакции термоядерного синтеза; рисунок водородной бомбы на листе ватмана.

Ход урока

Учитель. Сегодня на уроке мы познакомимся с термоядерными реакциями, выясним условия, при которых они могут протекать, рассчитаем энергетический выход одной из термоядерных реакций, выясним, почему термоядерные реакции неуправляемы и какие исследования ведутся для создания управляемого термоядерного синтеза.

Мы уже рассмотрели получение энергии при делении ядер атомов тяжелых элементов. Но ядерную энергию можно получить и путем соединения ядер легких элементов.

При каком условии возможно слияние ядер и почему выделяется громадная энергия?

Дело в том, что масса покоя ядра гелия значительно меньше суммы масс покоя четырех ядер атома водорода. Это означает, что при слиянии легких ядер масса покоя уменьшается, а следовательно, должна выделяться значительная энергия. Запишем эту реакцию.

Ученик у доски:

Учитель: Определим массу ядер до реакции и после реакции. Ученик у доски. Масса до реакции:

Масса после реакции:

Учитель. Как видно из расчетов, масса ядер до реакции больше, чем после реакции, значит, реакция синтеза идет с выделением энергии.

Подобного рода реакции слияния легких ядер могут протекать только при очень высоких температурах. Поэтому они называются термоядерными.

Так что же такое термоядерная реакция?

Ученик. Реакция слияния легких ядер при очень высокой температуре, сопровождающаяся выделением энергии, называется термоядерной.

Учитель. Почему же для протекания реакции необходима высокая, даже очень высокая температура?

Ученик. Для слияния ядер необходимо, чтобы они сблизились на расстояние около 10^-12 см, то есть чтобы они попали в сферу действия ядерных сил.

Учитель. Ну и что же мешает им сблизиться?

Ученик. Этому сближению препятствует кулоновское отталкивание ядер, так как ядра заряжены положительно.

Учитель. Ну и как же преодолеть кулоновское отталкивание?

Ученик. Отталкивание может быть преодолено лишь за счет большой кинетической энергии теплового движения ядер, вот поэтому реакция синтеза может протекать только при очень высокой температуре.

Учитель. Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях в расчете на один кулон, превышает удельную энергию, выделяющуюся при цепной реакции деления ядер тяжелых элементов.

Вот давайте рассчитаем энергетический выход уже написанной реакции.

Ученик у доски. Определим разность масс до реакции и после:

Чтобы рассчитать энергетический выход этой реакции, надо:

Учитель. Определим энергию, приходящуюся на один нуклон.

Ученик.

Учитель. Теперь сравним полученную энергию с энергией, которая выделяется при делении ядер урана.

Ученик. Реакция деления ядер урана-235 сопровождается выделением энергии 208 МэВ.

Учитель. А чему равна энергия, приходящаяся на 1 нуклон при цепной реакции деления урана-235?

Ученик.

Учитель. Ну а теперь сделаем сравнение

Е_уд. = 6,5 МэВ — при термоядерном синтезе гелия.

Е_уд. = 0,89 МэВ — при цепной ядерной реакции урана.

Ученик. Реакция синтеза ядер в энергетическом отношении более выгодна, чем реакция деления тяжелых ядер.

Учитель. Осуществить термоядерную реакцию сложно, так как необходима очень высокая температура. Но энергия излучения Солнца и звезд имеет термоядерное происхождение. Послушаем небольшое сообщение.

Докладчик 1.

В 1939 году американский физик Бете выдвинул гипотезу, согласно которой одним из источников звездной энергии является синтез гелия из водорода, входящих в состав звезд и Солнца. Эту реакцию мы уже рассматривали.

По современным представлениям, на ранней стадии развития звезда в основном состоит из водорода. Наше Солнце тоже состоит из водорода и около 10 % гелия, а на другие более тяжелые элементы приходится ≈ 2% массы Солнца.

История существования любой звезды — это борьба между силой гравитации, стремящейся ее неограниченно сжать, и силой газового давления, стремящейся ее «распылить», рассеять в окружающем межзвездном пространстве. При сжатии звезды недра ее нагревались до чудовищной температуры, при которой и стал возможен термоядерный синтез. В центре Солнца температура около 15 000 000 К. При такой температуре идет термоядерный синтез.

На Солнце и звездах силы тяготения не позволяют раскаленной плазме расшириться, и термоядерные реакции протекают в центральной зоне на неизменном уровне в течение миллионов лет.

В течение чудовищно больших сроков сила гравитации и сила газового давления уравновешивают друг друга.

Но запасы водорода уменьшаются, поэтому дальнейшая судьба звезды определяется величиной ее массы.

Учитель. Как видите, термоядерные реакции играют решающую роль в эволюции Вселенной. Все эти реакции сопровождаются выделением энергии, обеспечивающей излучение света звездами на протяжении миллиардов лет.

Осуществление управляемых термоядерных реакций на Земле сулит человечеству новый, практически неисчерпаемый источник энергии. Наиболее перспективной в этом отношении является реакция слияния дейтерия и трития.

Дейтерий стабилен и входит в качестве небольшой примеси в обычный водород. Трития в природе нет, он получается из лития в результате ядерной реакции.

Первые термоядерные реакции осуществлены почти одновременно в СССР и в США при взрыве водородной бомбы. Как осуществляется эта термоядерная реакция в водородной бомбе?

Докладчик 2. В водородной бомбе осуществляется синтез ядер гелия из ядер изотопов водорода (дейтерия и трития). Сближаясь, ядра дейтерия и трития попадают в сферу действия мощных ядерных сил. Эти силы связывают два нейтрона и два протона в устойчивую систему, представляющую собой ядро атома гелия.

При этом лишний нейтрон выбрасывается с огромной скоростью.

Термоядерные реакции, которые осуществляются в водородной бомбе, неуправляемы, носят взрывной характер.

Водородная бомба имеет прочную металлическую оболочку, размеры которой больше размеров атомной бомбы. В этой оболочке помещается запас водородного горючего, содержащего дейтерий и тритий. Вблизи него находятся два удаленных друг от друга куска вещества А (урана или плутония — заряд атомной бомбы). Для сближения частей урана или плутония используются заряды обычного взрывчатого вещества К (тротила). При взрыве тротила атомные заряды сближаются, давая критическую массу. В момент их соединения происходит атомный взрыв, развивается сверхвысокая температура и как следствие — синтез водородного горючего.

Взрыв водородной бомбы, также как и атомной, сопровождается высокой температурой, ударной волной и выделением радиоактивных продуктов распада.

Так как для водородных бомб не существует критической массы, то мощность их не имеет ограничения.

Учитель. Оценим энергетический выход данного термоядерного синтеза на примере задачи.

Задача

При осуществлении термоядерной реакции синтеза ядер гелия из изотопов водорода — дейтерия и трития определите, какая энергия освободится при синтезе 1 г гелия. Сколько каменного угля надо сжечь для получения такой же энергии?

Ученик у доски.

Дано:

Решение:

До реакции:

После реакции:

ΔЕ = 17,6 МэВ — выделяется при синтезе ядра.

Е = ΔЕ · N — выделяется при синтезе всех ядер в 1 г гелия.

(атомов гелия в 1 г).

— выделяется при синтезе 1 г гелия.

Превратим в джоули: 1 эВ — 1,6 · 10^-19 Дж, тогда

Так как по условию задачи Q = Е, тогда

Ответ: ≈ 15,6 т.

Учитель. Как мы видим из расчетов, энергетический выход данного синтеза эквивалентен сгоранию ≈ 16 тонн каменного угля.

Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы, поэтому использование энергии термоядерного синтеза в мирных целях является одной из важнейших задач современной науки и техники.

На Солнце и звездах силы тяготения не позволяют раскаленной плазме термоядерного синтеза расшириться.

Чем же заменить силы тяготения в земных условиях? Как же удержать плазму? Одна из идей, связанных с решением этого вопроса, была высказана Сахаровым и Таммом в 1950 году. Она состоит в применении магнитных сил.

Докладчик 3. В водородной бомбе термоядерная реакция носит неконтрольный характер. Для осуществления управляемой термоядерной реакции необходимо создать и поддерживать температуру порядка 10⁸ К. Такие температуры могут быть достигнуты путем создания в плазме мощных электрических разрядов. Основная трудность на этом пути состоит в том, чтобы удержать плазму столь высокой температуры внутри установки. Никакие стенки из вещества здесь не годятся, так как при столь высокой температуре они сразу же превратятся в пар. Удержать высокотемпературную плазму в ограниченном объеме можно с помощью сильных магнитных полей.

Усилия физиков направлены на создание управляемой термоядерной реакции. Эти работы были начаты под руководством академиков Арцимовича и Леонтовича и продолжаются их учениками.

В установке типа «Токамак» плазма создается в тороидальной камере, заполненной дейтерием при низком давлении. Тороидальная камера является вторичной обмоткой импульсного трансформатора, первичная обмотка которого присоединяется к батарее конденсаторов очень большой электроемкости. При разрядке конденсаторов через первичную обмотку трансформатора в тороидальной камере возникает вихревое электрическое поле, которое вызывает мощный импульс тока. В камере образуется плазма с температурой до нескольких десятков миллионов кельвина. Кроме того, электрический ток (разряд) возбуждает в тороидальной камере сильное магнитное поле, которое удерживает электроны в плазменном шнуре.

На «Токамаке-10» высокотемпературная плазма удерживалась до 0,06 с и примерно это же время в тороидальной камере происходила термоядерная реакция синтеза гелия.

Сейчас в России создана новая установка «Токамак-20».

Учитель. Для создания и удержания высокотемпературной плазмы, в которой протекает термоядерный синтез, можно, как выяснили ученые, использовать лазер. Рассмотрим принцип устройства и работы лазерной установки.

Докладчик 4. Первые исследования по лазерному термоядерному синтезу были проделаны в период 1961—1968 годов. Шарик из замороженной смеси дейтерия и трития очень малого размера облучают равномерно со всех сторон светом лазера. Излучение лазера вызывает нагрев и испарение вещества с поверхности шарика, при этом увеличивается давление.

Под действием этого давления происходит сжатие и нагрев центральной части шарика, что приводит к началу термоядерной реакции.

В 1970 году была запущена первая установка. Она включала предназначенный для сферического облучения девятиканальный лазер.

В настоящее время лазерный термоядерный синтез еще не вышел за рамки научно-исследовательских лабораторий.

Учитель. Сегодня на уроке мы изучили термоядерный синтез и вычислили энергетический выход термоядерных реакций. Осуществление управляемого термоядерного синтеза даст человечеству неисчерпаемый источник энергии, так как запасы дейтерия в океанской воде огромны, а добыча его проста и дешева.

Третий этап ядерной энергетики, вероятно, будет связан с использованием энергии, высвобождающейся в процессе синтеза легких ядер.

Дополнительное задание классу

Образование трития происходит следующим образом:

Написать недостающие обозначения в этих ядерных реакциях.

Подведение итогов

Ученик.

Наверно, вам приятно жить в тепле?

А между тем на маленькой Земле

Накоплено так много разных бомб,

Что сколько их — не знает даже Бог!

Пока что эти бомбы мирно спят.

И может, было б незачем опять

О бомбах вспоминать и говорить...

Но если только взять и разделить

Взрывчатку, запрессованную в них...

На всех без исключения людей,

В их первый день и в их последний день...

На всех людей! — и посчитать потом,

На каждом будет по пятнадцать тонн!

Живем мы, и несет любой из нас

Пятнадцать тонн взрывчатки

Про запас...

Р. Рождественский