Исследовательский проект по физике «Изобретение будущего» по теме «Управляемый термоядерный синтез»

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА №3 ГОРОДА УСМАНИ ЛИПЕЦКОЙ ОБЛАСТИ

Проект «Изобретение будущего»
по теме «Управляемый термоядерный синтез»

Выполница:

Евдокимова Екатерина

 учащаяся 9 класса «Б»

Руководитель проекта:

Ивакина Елена Васильевна

учитель физики

2014 год

Цель проекта: Выяснить и объяснить другим принцип устройства управляемого термоядерного синтеза, зачем он нужен и почему до сих пор не осуществлен.

Актуальность проекта:
Тема управляемого термоядерного синтеза актуальна в наше время, ведь это технология будущего. Природных ресурсов, благодаря которым живет человечество, с каждым годом становится все меньше, из-за их нерационального использования человеком. Управляемый термоядерный синтез – это решение проблем, с которым может столкнуться человек в ближайшие годы.

Термоядерная реакция
Для того, чтобы понять устройство управляемого термоядерного синтеза, нужно узнать о термоядерной реакции, на основе которого и должно работать данное грандиозное устройство.

Реакция синтеза заключается в следующем: два или более относительно лёгких атомных ядра в результате теплового движения сближаются настолько, что короткодействующее сильное взаимодействие, проявляющееся на таких расстояниях, начинает преобладать над силами кулоновского отталкивания между одинаково заряженными ядрами, в результате чего образуются ядра других, более тяжёлых элементов.

Какие же ядра более подходят для осуществления данной реакции?
Атомные ядра, имеющие небольшой электрический заряд, легче приблизить на нужное расстояние, поэтому тяжелые изотопы водорода являются лучшим видом топлива для управляемой реакции синтеза.

1. Самая легко осуществимая реакция — дейтерий + тритий:
Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты дешевы. Недостаток — выход нежелательной нейтронной радиации.
2. Существенно сложнее, на пределе возможного, осуществить реакцию дейтерий + гелий-3
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.
Дейтерий-тритий.

Устройство управляемого термоядерного синтеза и условия осуществления.


Так предполагаемое устройство термоядерного синтеза выглядит изнутри.
Так как термоядерный синтез должен работать на основе термоядерной реакция.

Для осуществления функционирования данной технологии должны выполнять некоторые условия:
1. Скорость соударения ядер должна соответствовать температуре плазмы.
2. Соблюдение критерия Лоусона:

nτ > 1014 см−3·с (для реакции D-T),

где n — плотность высокотемпературной плазмы, τ — время удержания плазмы в системе.

Почему человечество так стремиться к созданию управляемого термоядерного синтеза?

Энергия термоядерного синтеза – давняя мечта ученых. Дешевое и легкодоступное топливо – водород. Огромный выход энергии – выступление в реакцию синтеза одного грамма изотопов водорода дает столько же энергии, сколько сгорание десяти тонн бензина. Пример успешно функционирующей установки у нас перед перед глазами, ведь энергия, которую выделяет Солнце (и другие звезды), и есть продукт ядерных реакций синтеза. Но то, что возможно для Солнца, труднодоступно для человека.



Так почему же до сих пор его не создали?
Как уже говорилась раннее, управляемый термоядерный синтез – древняя мечта ученых.
Впервые задачу по управляемому термоядерному синтезу в Советском Союзе сформулировал и предложил для неё некоторое конструктивное решение советский физик Лаврентьев О. А. Ученые того времени утверждали, что данное оборудование будет создано не позднее двадцать первого века. Но как видите, их слова не подтвердились.
Дело в том, что по мере создания управляемого термоядерного синтеза, ученые столкнулись с неожиданными сложностями.
1. Чтобы произошла реакция синтеза, два ядра должны сблизиться на очень близкое расстояние. Но ядра имеют положительный заряд, а потому отталкиваются друг от друга. Чтобы их сблизить друг с другом, их нужно разогнать до огромных скоростей. Одним из основных вариантов такого разгона является нагрев до высокой температуры.
2. Оказалось, что реальные потери энергии куда больше, чем показывали первые теоретические расчёты.  Уменьшить же потери или увеличить скорость реакции оказалось не так-то просто. Причём зачастую требования друг другу противоречат: чтобы за то же время прореагировало больше топлива его концентрацию нужно повышать, но при повышении концентрации возрастают потери энергии, а оттого время уменьшается.


Когда же его построят?
Так как конструкция управляемого термоядерного синтеза очень важно для общества, над  ней работают ученые всего мира, при поддержке и финансировании многих стран. Ученые не точны в своем мнении, но есть версия, что управляемый термоядерный синтез будет работать уже в 2017 году.


Вывод.
 Входе изучения проекта, мы узнали.
1. О термоядерной реакции и о самых подходящих для реакции изотопах.
2. Об устройстве управляемого термоядерного синтеза и условиях его осуществления.
3. Об истории проблемы осуществления данной технологии.
4. О преимуществах, даруемые человечеству в случае реализации управляемого термоядерного синтеза.
5. О том, почему его до сих пор не создали.
6. И о том, когда же его создадут.