§ 18.3 Термоядерная энергия
Содержание
Что такое термоядерная реакция и какая температура нужна для её начала?
Ядерные реакции деления происходят при достижении массой урана-235 (или плутония-239) критического значения. Не надо никаких дополнительных внешних условий: реакция начинается самопроизвольно. Для начала реакции термоядерного синтеза нужно разогреть смесь дейтерия и трития до нескольких десятков миллионов градусов.
Пока ещё не удалось найти управляемого источника энергии, который бы позволял создавать и поддерживать такую температуру. Её удалось получить лишь с помощью ядерного взрыва. За 0,01 с температура при таком взрыве достигает 100 000 000 °С. Если этот процесс происходит в массе дейтерия и трития, то начинается их ядерный синтез и образуются ядра гелия. Выделяется ещё больше энергии. Температура повышается до нескольких сотен миллионов градусов, и реакция синтеза протекает как лавина, за тысячные доли секунды. Происходит термоядерный взрыв.
Учёные всего мира ведут работы по созданию установки, в которой можно было бы осуществлять термоядерную реакцию. Одно из направлений в этой области, которое разрабатывается в нашей стране, связано с использованием сильных магнитных полей.
Ядра дейтерия и трития несут положительные заряды имеющихся в них протонов. Движение таких заряженных частиц представляет собой электрический ток. Электрический ток, в свою очередь, порождает магнитное поле. Задача учёных состоит в том, чтобы внешним сильным магнитным полем удержать движущиеся ядра дейтерия и трития, действуя на созданное ими магнитное поле.
Внешнее магнитное поле заставляет их взаимодействовать, синтезируя гелий. Полученная энергия отводится, как в ядерном реакторе, специальным теплоносителем. Во многих странах создаются подобные установки, которые называются «токамак» — тороидальная камера с магнитными катушками.
Перспективой далёкого будущего можно считать получение энергии за счёт соединения вещества и антивещества. Антивещество — это своеобразное зеркальное отражение окружающей нас материи. Например, в нашем мире в центре атома водорода находится положительно заряженный протон, вокруг которого вращается отрицательно заряженный электрон. В антиводороде всё наоборот. Ядро образует отрицательно заряженный антипротон. В атоме антиводорода вокруг его ядра вращается положительно заряженная частица, которая называется позитроном. Любому веществу в нашем мире соответствует антивещество в антимире.
Если соединить вещество с антивеществом, то произойдёт реакция аннигиляции, т. е. и материя и антиматерия превратятся в излучение, несущее огромное количество энергии. Её величина может быть рассчитана по формуле А. Эйнштейна.
Для того чтобы получать энергию посредством аннигиляции, нужно решить три главные проблемы:
1 — где взять антивещество;
2 — как его хранить, поскольку его соприкосновение с любым обычным веществом приводит к аннигиляционному взрыву;
3 — как и чем делить на порции, брать и подавать для реакции антивещество, чтобы оно не соприкасалось с обычным веществом.
Если эти проблемы удастся решить, то можно будет построить фотонный космический корабль для полёта к далёким звёздам. Правда, при этом придётся решить ещё одну проблему — создать такое зеркало, которое отражало бы все виды излучения, возникающего при аннигиляции.
Профессии и производство
Для создания любого технологического новшества, которым будет пользоваться современное человечество, требуется научная и экспериментальная работа физика. Поэтому должность инженера-физика существует в каждой крупной компании, производящей современную технику. Инженеры-физики научно-исследовательских институтов оформляют патенты на свои открытия. Компании-производители могут воспользоваться научной разработкой, заплатив за патент.
Физики занимаются исследованием объектов окружающего мира и законов их взаимодействия. Изучение физических явлений позволяет открывать общие законы и использовать их в целях прогресса.
Существует множество специализаций профессии «физик». Например, физик-ядерщик изучает структуру и свойства атомных ядер, а физик-лазерщик — теорию работы лазеров. Сфера, где может работать физик, определяется полученной в вузе специализацией.
Физики могут заниматься научно-исследовательской, инженерной и преподавательской деятельностью.
Местом работы физиков могут быть научно-исследовательские институты, лаборатории, конструкторские бюро, промышленное производство, электростанции, образовательные организации.
Проверьте себя:
1. Какие вещества могут быть использованы для термоядерной реакции?
2. Почему термоядерная реакция называется термоядерным синтезом?
3. Что такое токамак и для чего он создан?
4. Что такое антиматерия?
5. Чем антиводород отличается от водорода?
6. Какие произведения в жанре фантастики, в которых упоминается антиматерия, вы читали?
Подумайте, в чём и как нужно было бы хранить антивещество, если бы удалось создать хотя бы очень малое его количество.
