Réactions thermonucléaires. Plan d'un cours de physique sur le thème « Réactions thermonucléaires

07.12.2020 Fonctionnement du véhicule

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La réaction thermonucléaire est la réaction de fusion de noyaux légers à très haute température, accompagnée d'une libération d'énergie. Elle est énergétiquement très bénéfique !!!

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Synthèse de 4 g d'hélium Combustion de 2 voitures charbon Comparaison de l'énergie thermonucléaire et de celle libérée lors d'une réaction de combustion

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Conditions d'apparition d'une réaction thermonucléaire Pour qu'une réaction de fusion se produise, les noyaux initiaux doivent tomber dans la sphère d'action des forces nucléaires (se rapprocher d'une distance de 10 à 14 m), surmontant la force de répulsion électrostatique. Ceci est possible avec une énergie cinétique élevée des noyaux. Pour cela, la substance doit avoir une température de 107 K. C'est pourquoi la réaction est appelée « thermonucléaire » (du latin therme-chaleur).

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Réactions thermonucléaires incontrôlées Une fusion thermonucléaire incontrôlée se produit sur le Soleil depuis des milliards d'années. Selon une hypothèse, quatre noyaux d'hydrogène fusionneraient en un noyau d'hélium dans les profondeurs du Soleil. Dans ce cas, une quantité colossale d’énergie est libérée. Bombe à hydrogène. Photo de l'explosion du premier Français bombe thermonucléaire Canopus, qui a été testé le 24 août 1968 en Polynésie française.

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La bombe la plus puissante testée était une bombe à hydrogène d'une puissance de 57 mégatonnes (57 millions de tonnes d'équivalent TNT), créée en URSS. Parmi les développeurs figuraient Sakharov, Kharitonov et Adamsky. Le matin du 30 octobre 1961, à 11 h 32, une bombe larguée d'une hauteur de 10 km atteint une altitude de 4 000 mètres au-dessus de Novaya Zemlya (URSS) et explose. Le site de l'explosion ressemblait à un enfer : le sol était recouvert d'une épaisse couche de cendres provenant de roches brûlées. Dans un rayon de 50 kilomètres de l'épicentre, tout brûlait, même si avant l'explosion il y avait de la neige à hauteur d'homme, à 400 kilomètres dans un village abandonné des maisons en bois ont été détruites. La puissance de l'explosion était 10 fois supérieure à celle de l'épicentre. puissance totale de tous les explosifs utilisés pendant la Seconde Guerre mondiale.

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Le mécanisme d'action de la bombe à hydrogène. La séquence des processus se produisant lors de l'explosion d'une bombe à hydrogène peut être représentée comme suit. Tout d'abord, la charge initiant la réaction thermonucléaire située à l'intérieur de la coque explose (petite bombe atomique), entraînant un éclair de neutrons et créant la température élevée nécessaire à l'initiation fusion thermonucléaire. Les neutrons bombardent un insert constitué d'un composé deutérium-lithium-6. Le lithium-6 est divisé en hélium et tritium sous l'influence des neutrons. Puis une réaction thermonucléaire commence dans un mélange de deutérium et de tritium, la température à l'intérieur de la bombe augmente rapidement, impliquant de plus en plus plus hydrogène.

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Bombe à hydrogène pour l'aviation stratégique La toute première bombe à hydrogène, maîtrisée en production de masse et adoptée pour le service de l'aviation stratégique. Achèvement du développement - 1962. Musée du RFNC-VNIITF, Snezhinsk.

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Avantages d'une réaction de fusion contrôlée L'idée de créer un réacteur à fusion est née dans les années 1950. À l'heure actuelle (2010), la fusion thermonucléaire contrôlée n'a pas encore été réalisée. L'énergie thermonucléaire, qui utilise du deutérium et du tritium radioactifs absolument non radioactifs, mais dans des volumes des milliers de fois inférieurs à ceux de l'énergie nucléaire, sera plus respectueuse de l'environnement. Et dans d'éventuelles situations d'urgence, le fond radioactif à proximité de la centrale thermonucléaire ne dépassera pas les indicateurs naturels. Dans le même temps, par unité de poids de combustible thermonucléaire, on obtient environ 10 millions de fois plus d'énergie que lors de la combustion de combustible organique et environ 100 fois plus que lors de la fission des noyaux d'uranium. Cette source est pratiquement inépuisable ; elle repose sur la collision de noyaux d’hydrogène, et l’hydrogène est la substance la plus répandue dans l’Univers. Ce problème a été abordé en URSS par I.V. Kourtchatov, A.D. Sakharov, c'est-à-dire Tamm, L.A. Artsimovich, E.P. Vélikhov

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Principales orientations de recherche du CTS Le problème principal est de maintenir un gaz à une température de 107 K (plasma) dans un espace confiné. Sur à l'heure actuelle Deux projets de base visant à réaliser une fusion thermonucléaire contrôlée sont financés de manière assez intensive. 1. Systèmes quasi-stationnaires dans lesquels le plasma est confiné par un champ magnétique à une pression relativement basse et à une température élevée. 2. Systèmes d'impulsions. Dans de tels systèmes, le CTS est réalisé en chauffant brièvement de petites cibles contenant du deutérium et du tritium avec des impulsions laser ou ioniques ultra-puissantes. Une telle irradiation provoque une séquence de microexplosions thermonucléaires.

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TOKAMAK est une chambre à vide toroïdale pour le confinement magnétique du plasma. Le plasma est retenu par un champ magnétique, à l'intérieur duquel pend le « cordon » du plasma sans toucher les parois de la chambre – le « beignet ». Développé pour la première fois à l'Institut de l'énergie atomique du nom. Kurchatov pour étudier le problème de la fusion thermonucléaire contrôlée. Des bobines sont enroulées autour de la caméra pour créer champ magnétique. L'air est d'abord pompé hors de la chambre à vide, puis rempli d'un mélange de deutérium et de tritium. Ensuite, à l’aide d’un inducteur, un champ électrique vortex est créé dans la chambre. L'inducteur est l'enroulement primaire d'un grand transformateur, dans lequel la chambre TOKAMAK est l'enroulement secondaire. Le champ électrique du vortex fait circuler le courant dans le plasma et le réchauffe.

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Problèmes de fusion thermonucléaire contrôlée dans TOKAMAK Une augmentation de la pression dans le plasma provoque des processus qui affectent négativement la stabilité de cet état de la matière. Des perturbations de type « cou » ou « serpent » y apparaissent, ce qui entraîne l'éjection de plasma sur les parois de la chambre. Ils sont détruits et le plasma se refroidit. Le champ magnétique doit empêcher le plasma de traverser les lignes de champ. Jusqu'à présent, TOKAMAK, dont le champ magnétique est créé à l'aide d'électroaimants supraconducteurs, nécessite plus d'énergie pour maintenir le faisceau de plasma que celle libérée par la fusion des noyaux. Jusqu'à présent, il a été possible d'obtenir une densité de plasma de 1014 particules par cm3 pendant un temps de 1 s, ce qui ne permet pas encore de lancer une réaction thermonucléaire auto-entretenue. Le produit de la densité du plasma par le temps de confinement devrait être 20 fois supérieur à ce qui est actuellement réalisé. Pour une utilisation industrielle, les réactions de fusion doivent se produire de manière continue sur une longue période. Pour réaliser la réaction à l’échelle requise, il est nécessaire d’augmenter la pression dans le plasma.

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Dans de tels systèmes, le CTS est réalisé par compression à court terme et chauffage ultra-rapide de petites cibles contenant du deutérium et du tritium à l'aide de lasers multicanaux ultra-puissants ou d'impulsions ioniques. Une telle irradiation provoque une réaction thermonucléaire au centre de la cible. La cible du CTS se compose d'une coque creuse (1), d'une couche de mélange diesel solide congelé (2) et d'un gazole diesel de faible densité au centre de la cible (3). Idée principale- mise en œuvre d'un tel mode de compression cible lorsque seulement il est porté à la température d'inflammation partie centrale, et la majeure partie du carburant reste froide. L’onde de combustion se propage ensuite aux couches superficielles du carburant.

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Le Livermore National Laboratory, en Californie, est le complexe laser le plus puissant au monde. 192 lasers puissants qui seront dirigés simultanément sur une cible sphérique millimétrique (environ 150 microgrammes d'un mélange de deutérium et de tritium). En conséquence, la température de la cible atteindra 100 millions de degrés, tandis que la pression à l'intérieur du ballon sera 100 milliards de fois supérieure à la pression. l'atmosphère terrestre. Autrement dit, les conditions au centre de la cible seront comparables à celles à l’intérieur du Soleil. Une usine de fusion pulsée est comme un moteur combustion interne, dans lequel se produisent des explosions de carburant fourni périodiquement à la chambre de travail. Les difficultés du CTS résident dans le problème du chauffage instantané et uniforme du mélange. Les calculs montrent que si l'on atteint une densité 1000 fois supérieure à celle de l'hydrogène solide, alors un million de joules suffira à déclencher une réaction thermonucléaire. Mais jusqu'à présent, dans les installations expérimentales, la densité n'augmente que 30 à 40 fois. Le principal obstacle est l’uniformité insuffisante de l’éclairage de la cible.

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Un réacteur à fusion consommera de très petites quantités de lithium et de deutérium. Par exemple, un réacteur d’une puissance électrique de 1 GW brûlera environ 100 kg de deutérium et 300 kg de lithium par an. Si l'on suppose que toutes les centrales thermonucléaires produiront 5·1020 J par an, soit la moitié des besoins futurs en électricité, la consommation annuelle totale de deutérium et de lithium ne sera alors que de 1 500 et 4 500 tonnes. Avec une telle consommation, le deutérium contenu dans l'eau (0,015 %) est suffisant pour fournir de l'énergie à l'humanité pendant plusieurs millions d'années. Fusion-espoirénergie moderne

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Réacteur thermonucléaire expérimental international ITER Le problème de la fusion thermonucléaire contrôlée est si complexe qu'aucun pays ne peut y faire face seul. C'est pourquoi communauté mondiale choisi le plus manière optimale- création du projet international de réacteur thermonucléaire expérimental - ITER, qui implique aujourd'hui, outre la Russie, les USA, l'Union européenne, le Japon, la Chine et Corée du Sud. Le réacteur à fusion sera construit à Cadarache (France) et mis en service vers 2016. C'est TOKAMAK qui devrait devenir la base du premier réacteur thermonucléaire expérimental au monde.

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Carburant provenant de la Lune (hélium-3) Cette réaction nécessite plus températures élevées, mais il est respectueux de l'environnement, car ce ne sont pas des neutrons pénétrants qui sont libérés, comme dans d'autres réactions nucléaires, mais des protons chargés, faciles à capturer sans risque que les matériaux de structure deviennent radioactifs. La durée de vie du réacteur augmente considérablement, la conception est simplifiée et la fiabilité augmente. Puisque les protons portent charge électrique, il existe la possibilité d'une conversion directe de l'énergie thermonucléaire en énergie électrique, en contournant les pertes dues à la conversion thermique. Il n'y a que 4 000 tonnes d'hélium-3 sur Terre. Pour approvisionner la Russie, il faudra environ 20 tonnes d’hélium-3 par an ; l’économie mondiale moderne aura besoin d’environ 200 tonnes d’hélium-3 par an. Ses réserves dans le sol de la Lune sont d'environ 1 million de tonnes. L'extraction d'hélium-3 est désormais tout à fait à la portée des services spatiaux.

Physique - 9

Réaction thermonucléaire

Réaction de fusion de noyaux légers (tels que l'hydrogène, l'hélium, etc.), se produisant à des températures de l'ordre de centaines de millions de degrés.

Pourquoi les réactions thermonucléaires ne sont-elles possibles qu’à très haute température ?

Exemple de réaction thermonucléaire

La réaction libère de l'énergie

La réaction a été mise en œuvre dans une bombe thermonucléaire et était incontrôlable

Quelle réaction est énergétiquement la plus favorable ?

(par nucléon) :

synthèse de noyaux légers ou fission de noyaux lourds ?

Comparaison de l'énergie thermonucléaire et de l'énergie libérée lors d'une réaction de combustion

Combustion

2 wagons de charbon

Synthèse

4 g d'hélium

Réactions thermonucléaires contrôlées

Quelle est la principale difficulté de

mise en œuvre de réactions thermonucléaires ?

Il est nécessaire de conserver le plasma dans un espace confiné sans contact avec les parois de l'installation grâce à un champ magnétique.

Installation TOKAMAK pour la fusion thermonucléaire contrôlée

TOKAMAK ( Que roïdal ka mesure maman pourri À atushki )

Réacteur thermonucléaire expérimental international ITER

La conception du réacteur ITER, dont la construction a déjà commencé et devrait s'achever d'ici 2018. La puissance du réacteur doit être d'au moins 500 MW. Pour estimer la taille, une silhouette d'une personne est placée en bas dans le dessin (à droite)

Centrale à fusion

Selon le principe de fonctionnement, une centrale thermonucléaire est similaire à une centrale conventionnelle centrales thermiques et n'en diffère que par la conception du « four » et le type de combustible

L'énergie du soleil est de l'énergie

réactions thermonucléaires

Le cycle de l'hydrogène est une chaîne de trois réactions thermonucléaires conduisant à la formation d'hélium à partir de l'hydrogène :

Hans Béthe

scientifique américain

Prix Nobel

Physique - 9

Réaction thermonucléaire

D.z. § 79,

K.r. Par § 65 – 78 « Structure de l'atome et du noyau atomique »

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Légendes des diapositives :

Réaction thermonucléaire

Qu'est-ce qu'une réaction thermonucléaire ? La réaction de fusion de noyaux légers à très haute température, accompagnée d'une libération d'énergie, est appelée réaction thermonucléaire.

Exemples de réactions thermonucléaires :

1 g. U - 75 MJ = 3 tonnes de charbon 1 g de mélange deutérium-tritium – 300 MJ = ? tonnes de charbon. Rendement énergétique des réactions

La fusion thermonucléaire est une source d’énergie inépuisable et respectueuse de l’environnement. Conclusion:

Détails sur la réaction Pour que la fusion se produise, la distance entre les noyaux doit être d'environ 0,000 000 000 001 cm. Cependant, les forces coulombiennes l'empêchent. Ils peuvent être surmontés si les noyaux ont une énergie cinétique élevée. Particulièrement gros signification pratique a le fait que lors d'une réaction thermonucléaire, beaucoup plus d'énergie est libérée par nucléon que lors d'une réaction nucléaire, par exemple, lors de la fusion d'un noyau d'hélium à partir de noyaux d'hydrogène, une énergie égale à 6 MeV est libérée, et lorsqu'un noyau d'uranium est divisé en un nucléon, « 0,9 MeV » est libéré.

Réaction thermonucléaire Une réaction thermonucléaire contrôlée est une réaction énergétiquement favorable. Cependant, cela ne peut se produire qu’à des températures très élevées (de l’ordre de plusieurs centaines de millions de degrés). À haute densité substances, une telle température peut être atteinte en créant de puissantes décharges électroniques dans le plasma. Dans ce cas, un problème se pose : il est difficile de contenir le plasma. Des réactions thermonucléaires autonomes se produisent dans les étoiles. Actuellement, des travaux sont en cours en Russie et dans plusieurs autres pays pour mettre en œuvre une réaction thermonucléaire contrôlée.

TOKAMAK (chambre magnétique toroïdale à courant) Il s'agit d'un dispositif électrophysique dont le but principal est la formation de plasma, ce qui est possible à des températures d'environ 100 millions de degrés, et sa conservation est suffisante pendant longtemps dans un volume donné. La possibilité de produire du plasma à ultra-hautes températures permet de réaliser une réaction thermonucléaire de fusion de noyaux d'hélium à partir de matière première, d'isotopes de l'hydrogène (deutérium et tritium). Au cours de la réaction, une énergie doit être libérée, qui sera nettement supérieure à l'énergie dépensée pour la formation du plasma. Les bases de la théorie de la fusion thermonucléaire contrôlée ont été posées en 1950 par I. E. Tamm et A. D. Sakharov, qui proposaient de contenir le plasma chaud formé à la suite de réactions par un champ magnétique.

Cette idée a conduit à la création de réacteurs thermonucléaires - les tokamaks. À une densité de matière élevée, la température élevée requise de plusieurs centaines de millions de degrés peut être atteinte en créant de puissantes décharges électroniques dans le plasma. Problème : Le plasma est difficile à retenir. Installations modernes les tokamak ne sont pas des réacteurs thermonucléaires, mais des installations de recherche dans lesquelles l'existence et la conservation du plasma ne sont possibles que pendant un certain temps. Le TOKAMAK moderne le plus puissant, servant uniquement à des fins de recherche, est situé dans la ville d'Abingdon, près d'Oxford. D'une hauteur de 10 mètres, il produit du plasma et la maintient en vie pendant seulement 1 seconde environ. Une réaction thermonucléaire contrôlée est une réaction énergétiquement favorable. Avec une telle réaction, beaucoup plus d’énergie est libérée par nucléon qu’avec une réaction nucléaire. Par exemple, lors de la fusion d'un noyau d'hélium, une énergie égale à 6 MeV est libérée par les noyaux d'hydrogène, et lors de la fission d'un noyau d'uranium, 0,9 MeV est libéré par nucléon.

LiD A 2 1 Réaction de fusion incontrôlée dans une bombe à hydrogène (thermonucléaire)

1. 1953 - en URSS, 2. 1956 - aux États-Unis, 3. 1957 - en Angleterre, 4. 1967 - en Chine, 5. 1968 - en France. Bombe à hydrogène dans les arsenaux divers pays Plus de 50 000 bombes à hydrogène ont été accumulées !

L'explosion d'une charge thermonucléaire d'une puissance de 20 Mt détruira toute vie à une distance allant jusqu'à 140 km de son épicentre.

1. Lors de la réalisation d'opérations minières à grande échelle ; 2. Dans les phénomènes astrophysiques.

Les réactions thermonucléaires sont-elles bonnes ou mauvaises ?

Devoir : §79, préparer des rapports sur les thèmes suivants : « Réactions thermonucléaires sur le Soleil », « Création d'une bombe à hydrogène en URSS », « Utilisation de réactions thermonucléaires à des fins pacifiques », « Problèmes de création de centrales thermonucléaires ».

Description de la présentation par diapositives individuelles :

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