Презентация по физике по теме: "Физика атомного ядра"(11 класс)

• 1 слайд

  Термоядерный синтез
  Взаимодействие легких ядер
  

• 2 слайд

  Термоядерная реакция — разновидность ядерной реакции, при которой лёгкие атомные ядра объединяются в более тяжёлые за счет кинетической энергии их теплового движения.
  

• 3 слайд

  Происхождение термина
  Для того, чтобы произошла ядерная реакция, исходные атомные ядра должны преодолеть так называемый «кулоновский барьер» — силу электростатического отталкивания между ними. Для этого они должны иметь большую кинетическую энергию. Согласно кинетической теории, кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а следовательно, нагревая вещество можно достичь ядерной реакции. Именно эту взаимосвязь нагревания вещества и ядерной реакции и отражает термин «термоядерная реакция».
  
  

• 4 слайд

  Кулоновский барьер
  Атомные ядра имеют положительный электрический заряд. На больших расстояниях их заряды могут быть экранированы электронами. Однако для того, чтобы произошло слияние ядер, они должны сблизиться на расстояние, на котором действует сильное взаимодействие. Это расстояние — порядка размера самих ядер и во много раз меньше размера атома. На таких расстояниях электронные оболочки атомов (даже если бы они сохранились) уже не могут экранировать заряды ядер, поэтому они испытывают сильное электростатическое отталкивание. Сила этого отталкивания, в соответствии с законом Кулона, обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами.
  На расстояниях порядка размера ядер величина сильного взаимодействия, которое стремится их связать, начинает быстро возрастать и становится больше величины кулоновского отталкивания.
  
  

• 5 слайд

  Таким образом, чтобы вступить в реакцию, ядра должны преодолеть потенциальный барьер. Например, для реакции дейтерий-тритий величина этого барьера составляет примерно 0,1 МэВ. Для сравнения, энергия ионизации водорода — 13 эВ. Поэтому вещество, участвующее в термоядерной реакции, будет представлять собой практически полностью ионизированную плазму.
  

• 6 слайд

  Температура, эквивалентная 0,1 МэВ, приблизительно равна 109 К, однако есть два эффекта, которые снижают температуру, необходимую для термоядерной реакции:
  Во-первых, температура характеризует лишь среднюю кинетическую энергию, есть частицы как с меньшей энергией, так и с большей. На самом деле в термоядерной реакции участвует небольшое количество ядер, имеющих энергию намного больше средней.
  Во-вторых, благодаря квантовым эффектам, ядра не обязательно должны иметь энергию, превышающую кулоновский барьер. Если их энергия немного меньше барьера, они могут с большой вероятностью туннелировать сквозь него.
  
  

• 7 слайд

  Термоядерные реакции
  
  
  1) D+T →  4He(3.5 MeV)+ n(14.1 MeV) 
  2) D+D →  T(1.01 MeV)+ p(3.02 MeV) 
  3) D+D  →  3He(0.82 MeV)+ n(2.45 MeV)
  4) D+3He →  4He(3.6 MeV)+ p(14.7 MeV)
  5) T+T →  4He +2 n+ 11.3 MeV
  6) 3He+3He →  4He +2 p 
  7) 3He+T →  4He + p +n+ 12.1 MeV
  8) 3He+T   →  4He(4.8 MeV)+ D(9.5 MeV)
  9) 3He+T   →  4He(0.5 MeV)+ n(1.9 MeV)+p(11.9 MeV)
  10)D+6Li → 2 4He+ 22.4 MeV
  11)p+6Li →  4He(1.7 MeV)+ 3He(2.3 MeV)
  12)3He+6Li → 2 4He + p+ 16.9 MeV
  13)p+11B → 3 4He+ 8.7 MeV
  

• 8 слайд

  Применение термоядерной реакции как практически неисчерпаемого источника энергии связано в первую очередь с перспективой освоения технологии управляемого термоядерного синтеза (УТС). В настоящее время научная и технологическая база не позволяет использовать УТС в промышленных масштабах.
  Вместе с тем, неуправляемая термоядерная реакция нашла своё применение в военном деле. Впервые термоядерное взрывное устройство было испытано в ноябре 1952 года в США, а уже в августе 1953 года в Советском Союзе испытали термоядерное взрывное устройство в виде авиабомбы. Мощность термоядерного взрывного устройства (в отличие от атомного) ограничена лишь количеством используемого для его создания материала, что позволяет создавать взрывные устройства практически любой мощности.
  

• 9 слайд

  На конференции Solve for X, которую устраивает Google для сотрудничества в решении глобальных задач, выступил Чарльз Чейз (Charles Chase) с сенсационным заявлением, что в компании Lockheed разработана технология достижения устойчивой термоядерной реакции. По его словам, данная технология позволит в течении 5 лет создать прототип компактной термоядерной электростанции, а уже через 10 лет построить промышленный образец. Если дела пойдут в гору, то к 2050 эта технология позволит покрыть всю потребность в энергетике человечества.
  

• 10 слайд

• 11 слайд

  Управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерных взрывных устройствах), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра.
  В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий(2H) и тритий (3H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (3He) и бор-11 (11B).
  

• 12 слайд

  Типы реакций
  Реакция синтеза заключается в следующем: два или больше атомных ядра в результате применения некоторой силы сближаются настолько, чтобы силы, действующие на таких расстояниях, преобладали над силами кулоновского отталкивания между одинаково заряженными ядрами, в результате чего формируется новое ядро. При создании нового ядра выделится большая энергия сильного взаимодействия. По известной формуле E=mc², высвободив энергию, система нуклонов потеряет часть своей массы. Атомные ядра, имеющие небольшой электрический заряд, проще свести на нужное расстояние, поэтому тяжелые изотопы водорода являются одними из лучших видов топлива для реакции синтеза.
  
  

• 13 слайд

  Установлено, что смесь двух изотопов, дейтерия и трития, требует менее всего энергии для реакции синтеза по сравнению с энергией, выделяемой во время реакции. Однако, хотя смесь дейтерия и трития (D-T) является предметом большинства исследований синтеза, она в любом случае не является единственным видом потенциального горючего. Другие смеси могут быть проще в производстве; их реакция может надежнее контролироваться, или, что более важно, производить меньше нейтронов.
  

• 14 слайд

  Особенный интерес вызывают так называемые «безнейтронные» реакции, поскольку успешное промышленное использование такого горючего будет означать отсутствие долговременного радиоактивного загрязнения материалов и конструкции реактора, что, в свою очередь, могло бы положительно повлиять на общественное мнение и на общую стоимость эксплуатации реактора, существенно уменьшив затраты на вывод из эксплуатации и утилизацию. Проблемой остается то, что реакцию синтеза с использованием альтернативных видов горючего намного сложнее поддерживать, потому D-T реакция считается только необходимым первым шагом.
  Управляемый термоядерный синтез может использовать различные виды термоядерных реакций в зависимости от вида применяемого топлива.
  
  

• 15 слайд

  Реакция дейтерий + тритий (Топливо D-T)
  Самая легко осуществимая реакция — дейтерий + тритий:
  2H + 3H = 4He + n при энергетическом выходе 17,6 МэВ (мегаэлектронвольт).
  Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты дешевы. Недостаток — выход нежелательной нейтронной радиации.
  Два ядра: дейтерия и трития сливаются, с образованием ядра гелия (альфа-частица) и высокоэнергетического нейтрона:
  D+T →  4He(3.5 MeV)+ n(14.1 MeV) 
  

• 16 слайд

  Реакция дейтерий + гелий-3
  Существенно сложнее, на пределе возможного, осуществить реакцию дейтерий + гелий-3
  2H + 3He = 4He + p при энергетическом выходе 18,4 МэВ. Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3, кроме того, является редким и чрезвычайно дорогим изотопом. В промышленных масштабах в настоящее время не производится. Однако может быть получен из трития, получаемого в свою очередь на атомных электростанциях; или добыт на Луне.
  Сложность проведения термоядерной реакции можно характеризовать тройным произведением nTτ (плотность на температуру на время удержания). По этому параметру реакция D-3He примерно в 100 раз сложнее, чем D-T.
  
  

• 17 слайд

  Реакция между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо)
  Также возможны реакции между ядрами дейтерия, они идут немного труднее реакции с участием гелия-3:
  D+D →  T(1.01 MeV)+ p(3.02 MeV) 
  D+D  →  3He(0.82 MeV)+ n(2.45 MeV)
  В дополнение к основной реакции в ДД-плазме также происходят:
  T+T →  4He +2 n+ 11.3 MeV
  3He+3He →  4He +2 p 
  Эти реакции медленно протекают параллельно с реакцией дейтерий + гелий-3, а образовавшиеся в ходе них тритий и гелий-3 с большой вероятностью немедленно реагируют с дейтерием.
  
  

• 18 слайд

  Другие типы реакций
  Возможны и некоторые другие типы реакций. Выбор топлива зависит от множества факторов — его доступности и дешевизны, энергетического выхода, лёгкости достижения требующихся для реакции термоядерного синтеза условий (в первую очередь, температуры), необходимых конструктивных характеристик реактора и т. д.
  
  

• 19 слайд

  «Безнейтронные» реакции
  Наиболее перспективны так называемые «безнейтронные» реакции, так как порождаемый термоядерным синтезом нейтронный поток (например, в реакции дейтерий-тритий) уносит значительную часть мощности и порождает наведенную радиоактивность в конструкции реактора. Реакция дейтерий + гелий-3 является перспективной в том числе и по причине отсутствия нейтронного выхода.
  
  

• 20 слайд

  Реакции на лёгком водороде
  Стоит отметить, что протон-протонные реакции синтеза, идущие в звёздах, не рассматриваются как перспективное термоядерное горючее. Протон-протонные реакции идут через слабое взаимодействие с излучением нейтрино, и по этой причине требуют астрономических размеров реактора для сколь-либо заметного энерговыделения.
  p + p → ²D + e+ + νe + 0.4 Мэв
  

• 21 слайд

  Условия
  Управляемый термоядерный синтез возможен при одновременном выполнении двух условий:
  Скорость соударения ядер соответствует температуре плазмы:
  T > 108 K (для реакции D-T).Соблюдение критерия Лоусона:
  nτ > 1014 см−3·с (для реакции D-T),где n — плотность высокотемпературной плазмы, τ — время удержания плазмы в системе.
  От значения этих двух критериев в основном зависит скорость протекания той или иной термоядерной реакции.
  В настоящее время управляемый термоядерный синтез ещё не осуществлён в промышленных масштабах. Строительство международного экспериментального термоядерного реактора (ITER) находится в начальной стадии.
  
  

• 22 слайд

  Ядерная реакция Лития-6 с Дейтерием
  

• 23 слайд

  Токамак (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками) —тороидальная установка для магнитного удержания плазмы. Плазма удерживается не стенками камеры, которые не способны выдержать её температуру, а специально создаваемым магнитным полем. Особенностью токамака является использование электрического тока, протекающего через плазму для создания тороидального поля, необходимого для равновесия плазмы.
  

• 24 слайд

  Термоядерная энергетика и гелий-3
  Запасы гелия-3 на Земле составляют в атмосфере около 50 000 т и гораздо больше в литосфере, на Луне он находится в значительном количестве: до 10 млн тонн (по минимальным оценкам — 500 тысяч тонн). В то же время его можно легко получать и на Земле из широко распространённого в природе лития-6 на существующих ядерных реакторах деления. Синтез дейтерия и гелия-3 почти не производит радиоактивных продуктов:
  D + 3He → 4He (3,7 МэВ) + p (14,7 МэВ), где p — протон.
  Это позволяет использовать более простые и эффективные системы преобразования кинетической реакции синтеза, такие как магнитогидродинамический генератор.
  
  
  
  

• 25 слайд

  Конструкции реакторов
  
  Существуют две принципиальные схемы осуществления управляемого термоядерного синтеза, разработки которых продолжаются в настоящее время:
  1.Квазистационарные системы в которых нагрев и удержание плазмы осуществляется магнитным полем при относительно низком давлении и высокой температуре. Для этого применяются реакторы в виде токамаков, стеллараторов (торсатронов) и зеркальных ловушек, которые отличаются конфигурацией магнитного поля. К квазистационарным реакторам относится реактор ITER, имеющий конфигурацию токамака.
  2.Импульсные системы. В таких системах управляемый термоядерный синтез осуществляется путем кратковременного нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий, сверхмощными лазерными лучами или пучками высокоэнергичных частиц (ионов, электронов). Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов.
  Первый вид термоядерных реакторов намного лучше разработан и изучен, чем второй.
  
  

• 26 слайд

  В ядерной физике, при исследованиях термоядерного синтеза, для удержания плазмы в некотором объёме используется магнитная ловушка — устройство, удерживающее плазму от контакта с элементами термоядерного реактора. Магнитная ловушка используется в первую очередь как теплоизолятор. Принцип удержания плазмы основан на взаимодействии заряженных частиц с магнитным полем, а именно на спиральном вращении заряженных частиц вдоль силовых линий магнитного поля. Однако, намагниченная плазма очень нестабильна. В результате столкновений заряженные частицы стремятся покинуть магнитное поле. Поэтому для создания эффективной магнитной ловушки используются мощные электромагниты, потребляющее огромное количество энергии или применяющие сверхпроводники.
  

• 27 слайд

  Радиационная безопасность
  Термоядерный реактор намного безопаснее ядерного реактора в радиационном отношении. Прежде всего, количество находящихся в нем радиоактивных веществ сравнительно невелико. Энергия, которая может выделиться в результате какой-либо аварии, тоже мала и не может привести к разрушению реактора. При этом в конструкции реактора есть несколько естественных барьеров, препятствующих распространению радиоактивных веществ. Например, вакуумная камера и оболочка криостата должны быть герметичными, иначе реактор просто не сможет работать. Тем не менее, при проектирования ITER большое внимание уделялось радиационной безопасности как при нормальной эксплуатации, так и во время возможных аварий.
  
  

• 28 слайд

  Есть несколько источников возможного радиоактивного загрязнения:
  1.Радиоактивный изотоп водорода — тритий;
  2.Наведённая радиоактивность в материалах установки в результате облучения нейтронами;
  3.Радиоактивная пыль, образующаяся в результате воздействия плазмы на первую стенку;
  4.Радиоактивные продукты коррозии, которые могут образовываться в системе охлаждения.
  
  

• 29 слайд

  Для того, чтобы предотвратить распространение трития и пыли, если они выйдут за пределы вакуумной камеры и криостата, необходима специальная система вентиляции которая должна поддерживать в здании реактора пониженное давление. Поэтому из здания не будет утечек воздуха, кроме как через фильтры вентиляции.
  

• 30 слайд

  При строительстве реактора, ITER например, где только возможно, будут применяться материалы, уже испытанные в ядерной энергетике. Благодаря этому, наведённая радиоактивность будет сравнительно небольшой. В частности, даже в случае отказа систем охлаждения, естественной конвекции будет достаточно для охлаждения вакуумной камеры и других элементов конструкции.
  Оценки показывают, что даже в случае аварии радиоактивные выбросы не будут представлять опасности для населения и не вызовут необходимости эвакуации.
  
  

Краткое описание документа:

Презентация по теме: "Термоядерный синтез-взаимодействие легких ядер". Информация полезна для учащихся профильных классов.При изучении вопросов загрязнения окружающей среды и эволюции химического вещества во Вселенной-презентацию можно использовать,как дополнительный материал на уроках физики,химии,экологии.Осуществление управляемых термоядерных реакций позволит решить энергетическую проблему человечества.