Токамак. Проект токамак
 Скачать 271.36 Kb.
|
|
Муниципальное общеобразовательное учреждение "Средняя общеобразовательная школа №60 им. Героя Советского Союза П.Ф. Батавина" Ленинского района г. Саратова ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ НА ТЕМУ «ПРОЕКТ ТОКАМАК» Выполнил: Зуев Кирилл Сергеевич МОУ СОШ №60 Руководитель проекта: Арстангалиев Рустам Амангалиевич учитель физики г. Саратов 2022 год СодержаниеI.Введение……………………………………………………………… 3 II.Что такое токамак…………………………………………………… 4 III.Кто изобрёл токамак……………………………………………….. 5 IV.Как работает токамак………………………………………………. 7 V.Состояние плазмы…………………………………………………... 9 VI.Самый большой термоядерный реактор………………………… 11 VII.Безопасна ли реакция термоядерного синтеза………………….. 12 VIII.Плюсы и минусы термоядерных реакций……………………… 13 Список литературы……………………………………………………. 14 Приложение……………………………………………………………. 15 I.ВВЕДЕНИЕСможете ли вы предположить для себя мир, в котором не необходимы практически никакие вспомогательные источники энергии? Мир, в котором необходимость думать о том, как сберегать энергию исчезнет. Она станет в случае если не даровой, то довольно дешёвой. А сейчас представьте Солнце, которое любую секунду производит столько энергии, сколько население земли не потратило за всё время существования и не потратит еще длительное время. Как же мы можем воплотить в жизнь получение энергии Солнца на нашей планете? Как оказалось, уже больше 60 лет есть технологии, которые готовы гарантировать нам практически неисчерпаемые источники энергии за наименьшие средства и с внедрением практически дарового горючего. Логичный вопрос: отчего мы не используем подобный возможностью? Целью: узнать что такое токамак и как он работает. Задачи: разобраться как работает токамак и объяснить это вам. II.Что такое токамакСам термин «токамак» ничего не означает – это что-то вроде аббревиатуры, которое затем стало обозначать сам проект. Им пользуются не только в РФ, но и за границей, ведь как раз в нашей стране данную штуку выдумали и как раз у нас длительное время развивали. Токамак - тороидальная камера с магнитными катушками Сутью токамака является создание магнитного поля в котором станет протекать реакция термоядерного синтеза. Жар подобный реакции не высокий, а практически запредельный ( несколько млн. градусов по Цельсию), такую реакцию невозможно проводить внутри обычной камеры – она расплавится до того как достигнет необходимой температуры. Собственно данная температура достигается по причине того, что внутри токамака вещество прибывает в четвёртом агрегатном состоянии, которое достигается при этих больших температурах. Данное агрегатное состояние именуется плазмой. III.Кто изобрёл токамакПервым, кто внес предложение применить ядерный синтез, также и для промышленных целей, был русский физик Олег Александрович Лаврентьев (см. приложение 1). Сделал он это в собственной работе 1950 года. Как раз с его работы стартовало исследование методик применения термоядерного синтеза. Через год иные физики — Андрей Дмитриевич Сахаров (см. приложение 2) и Игорь Евгеньевич Тамм (см. приложение 3) — развили идею и заявили, что термоядерная реакция обязана поддерживаться изнутри закрытой камеры тороидальной формы. Тор (тороид) – это объёмная фигура, получившиеся в итоге вращения кольца по кругу центра вращения. В пример тора можно привести: пончик, бублик или же велосипедная камера, вынутая из колеса. Термин для обозначение токамака был предложен учащимся академика Курчатова — И.Н. Головиным. Только, в его варианте это должен был быть ”Токамаг” (тороидальная камера магнитная), но позднее стали применять более благозвучное слово ”Токамак”. 1-ый рабочий токамак был сооружен в 1954 году, но до 1968 года они присутствовали лишь в СССР, ведь немного кто верил в возможность существования такой температуры внутри камеры . Только впоследствии того, как в токамаке Т-3 в ВУЗе атомной энергии им И.В. Курчатов посетили английские учёные и на собственном оборудовании проверили жизнь температуры 11,6 миллиона градусов Цельсия, это привело к взрывному подъему известности и изучений в данном направлении в мире. Токамак и в данный момент является наиболее многообещающей методикой получения энергии термоядерного синтеза и исследованием плазмы, как агрегатного состояния вещества. На Земле плазма в натуральной среде находится только в молнии и северном сиянии, в космосе из нее произведено практически все - звезды, туманности, межзвездное пространство. IV.Как работает токамакДля формирования внутри токамака магнитного поля, он составляется из секций, внутри которых намотаны катушки. Так как они идут по всей протяжённости камеры и формируют что-то вроде замкнутого тоннеля , получающееся магнитное поле называют тороидальным. Это и есть рабочая зона установки. Перед началом работы из камеры токамака выкачивают воздух, а вместо этого наполняют его смесью дейтерия и трития. Они и являются основой реакции термоядерного синтеза. Дейтерий - изотоп водорода, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона. Тритий - изотоп водорода, ядро которого состоит из протона и двух нейтронов. Преимущество использования этих двух элементов в том, что они весьма недорогие. Дейтерий невероятно просто из воды, которой на нашем земном шаре более чем достаточно, а тритий синтезируется пусть и слегка более сложным методом, но это тоже не является большой трудностью. Когда камера заполнена, в ней возникает вихревое магнитное поле, которое поддерживает плазму внутри камеры, а заодно нагревает ее, доводя до той самой температуры в несколько миллионов градусов. Так как поле и нагрев возникают за счёт возрастания тока в индукторе, а он не может возрастать бесконечно, время существования плазы в устойчивом состоянии сейчас не превышает нескольких секунд. Это и является основной причиной того, что мы сейчас не можем задействовать токамаки в качестве источника промышленного добывания энергии. Существуют варианты решения этой проблемы, в том числе с применением микроволнового излучения, но сейчас работы в этом направлении ещё ведутся. Контакта стенок токамака с плазмой нет и потому они не расплавляются, но они все равно претерпевают серьёзнейшие нагрузки. Из-за этого стенки делаются из бериллия и нарезаются маленькими квадратными пластинками. Так им проще отводить тепло. Конечно, микроволновое излучение и так используется внутри токамака, так как только магнитного поля мало для разогрева плазмы до температуры, нужной для выполнения термоядерной реакции. Обыкновенная физика частиц ясно рассказывает нам, что ядра с идентичным зарядом отталкиваются друг от друга. Но при обретении высоких температур, они начинаю вести себя по-другому, формируя ядро гелия плюс один свободный нейтрон. Именно в этот миг и освобождается громадное количество энергии. В привычных обстоятельствах она израсходуется на взаимодействие атомов между собой. V.Состояние плазмыСостояние плазмы признаётся учёными как четвёртое агрегатное состояние. Для изучения данного состояния даже создали отдельную науку именуемую – физика плазмы. Ионизованный газ (состояние плазмы) выглядит как набор заряженных частиц, заряд которых в системе любого объёма равен нулю, что является квазинейтральным газом. - Получение плазмы Получить вещество столь высокой температуры можно лишь двумя способами: при помощи сильно сжатия газа, либо же непосредственно высокотемпературным нагревом газа. Электроны сходят с орбит атомов вещества т.к. не способны удерживаться на них. Далее возникают набор отдельных положительных частиц ионов и электронов. В дальнейшем можно получить кварк-глюонную плазму, если продолжить увеличение давления и температуры. - Свойства плазмы Вещество в состоянии плазмы имеет высокою электрическую проводимость, нежели газ. Суммарный электрический заряд плазмы равен нулю, и поэтому на неё с лёгкостью влияет электромагнитное поле, которое разделяет плазму на слои, как это происходит с Солнцем. Ещё одно свойство отличающее плазму от газа это – коллективное взаимодействие. Частицы плазмы из-за наличия электромагнитного заряда взаимодействуют одновременно с несколькими частицами, когда частицы газа крайне редко взаимодействуют хотя бы с тремя. Плазму разделяют на несколько классов в зависимости от своих характеристик: Вещество в состоянии плазмы, где температура электронов выше температуры ионов, является неравновесной. А когда их температуры идентичны – равновесной плазмой. Также плазму разделяют по температуре. Меньше млн. Кельвин – низкотемпературная, а от млн. и выше – высокотемпературная. Высокотемпературная плазма способна участвовать в термоядерном синтезе. Ещё четвёртое агрегатное состояние выделяют по ионизации: с высокой степенью ионизации и низкой. Даже газ который ионизирован всего на 1% имеет свойства плазмы. Но плазмой называют только тот газ, который ионизирован на все 100%. VI.Самый большой термоядерный реакторМногие скажут, что самым большим термоядерным реактором является Солнце, но это не так, ведь существуют более крупные звёзды. На земле существует термоядерный реактор – «Международный экспериментальный термоядерный реактор» (ITER). Он находится во Франции с 2007, является международным проектом. Изначально создание первой плазмы планировалось в 2020 году, но уложиться в заданное время никак не удалось из-за участников проекта, а именно из-за количества. Дело в том, что каждый из участников тормозит проект по-своему т.к. никто ранее таким не занимался. Внутри ITER будет достигаться температура равная 150 млн градусов Цельсия, что в свою очередь больше температуры солнечного ядра в 10 раз. Из интересного можно отметить то, что размер тороидальной камеры с магнитными катушками имеет 28 метров в высоту и столько же в диаметре. Магнитное поле составляет 10 единиц Тесла, а проектная мощность 0,5 ГВт (гиговатт), что в 2,5 раза больше нынешнего. VII.Безопасна ли реакция термоядерного синтезаСамый большой плюс реакции термоядерного синтеза, котор проходит внутри тороидальной камеры с магнитными катушками (Токамак), это её безопасность. Конечно, это тяжело поверить, ведь, как можно говорить о безопасности при столь высокой температуре, но к удивлению это действительно так. Такая безопасность возможна благодаря плотности плазмы, которая меньше чем плотность атмосферы. В следствии чего взрыв из-за внутреннего давления невозможен. К тому же в случае падения температуры, плазма просто начнёт «осыпаться». Ещё одним гарантом безопасности является то, что топливо подаётся безостановочно в течение всей реакции и для предотвращения беды, достаточно просто прекратить снабжение. Конечно, опасностью может быть то, что изотоп трития имеет радиоактивность, но она слишком мала, чтобы беспокоиться по этому поводу. Это в разы меньше, чем у АС( атомной станции). Ведь, период полураспада уранового топлива почти бесконечное количество лет, а именно 5 миллиардов, ну а трития всего-навсего 12 лет и используется его максимально мало. Каких-то 80 грамм смеси трития и дейтерия в тороидальной камере выдают ровно столько же, сколько и 1000 тонн угля. VIII.Плюсы и минусы термоядерных реакцийОбычные ядерные реакторы работают на большом количестве радиоактивного топлива, что кончено же впоследствии превращается в отходы. А вот термоядерному реактору достаточно совсем немного трития и дейтерия, речь идёт о нескольких грамм. Тритий вырабатывается прямо в реакторе, благодарю воздействию нейтронов на стенки реактора с литием. Лития на хватит на очень долгое время. А дейтерий производится тоннами в год. Что тоже говорит нам о долговременности его использования. Тем более термоядерные реакторы максимально безопасны. В случае, если что-то пойдёт не так, то термоядерная реакция сразу же прекратится без каких-либо вредных последствий. К сожалению, как и у всего остального, у термоядерного реактора есть свои минусы. Основной из них это сложность запуска реакции, которая сама себя поддерживает. Такой реакции нужен глубокий вакуум. Такая сложная система магнитного удержания обязана быть с сверхпроводящими магнитными катушками. А ещё обслуживание такого реактора нужно производить отдалённо, ведь, нельзя отменять радиацию, которая получается в результате бомбардировки окружения термоядерных реакторов нейтронами. IX.ЗаключениеЯ узнал, что такое токамак и объяснил вам, но к сожалению показать это на практике я не смогу, т.к. это очень сложно, и в принципе самого готового токамака ещё нет. Но будем надеется, что в скором времени учёные всё-таки смогут воссоздать его в нашем мире. Список литературыБондаренко Б. Д. Роль О. А. Лаврентьева в постановке вопроса и инициировании исследований по управляемому термоядерному синтезу в СССР Шафранов В. Д. Перспективы винтовых магнитных систем для УТС Владимир Решетов Океан энергии Арцимович Л. А. и др. Экспериментальные исследования на установках Токамак Состояние плазмы (spacegid.com) Погосов А. Ю., Дубковский В. А. Ионизирующая радиация: радиоэкология, физика, технологии, защита: учебник для студентов вузов Приложение Олег Александрович Лаврентьев (приложение 1)  Андрей Дмитриевич Сахаров (приложение 2)  Игорь Евгеньевич Тамм (приложение 3) |