Презентация по физике термоядерные реакции. План-конспект урока по физике на тему «Термоядерные реакции. Применение ядерной энергии» (11 класс). Сравнение термоядерной энергии и выделяющейся при реакции горения

1 слайд

2 слайд

Термоядерная реакция - реакция слияния легких ядер при очень высокой температуре, сопровождающаяся выделением энергии Энергетически очень выгодна!!!

3 слайд

Синтез 4 г гелия Сгорание 2 вагонов каменного угля Сравнение термоядерной энергии и выделяющейся при реакции горения

4 слайд

Условия протекания термоядерной реакции Для того, чтобы произошла реакция синтеза, исходные ядра должны попасть в сферу действия ядерных сил(сблизиться на расстояние 10-14 м), преодолев силу электростатического отталкивания. Это возможно при большой кинетической энергии ядер. Для этого вещество должно иметь температуру 107 К. Поэтому реакция названа «термоядерной»(от лат. therme-тепло).

5 слайд

Неуправляемые термоядерные реакции На Солнце уже миллиарды лет происходит неуправляемый термоядерный синтез. По одной из гипотез в недрах Солнца происходит слияние 4 ядер водорода в ядро гелия. При этом выделяется колоссальное количество энергии 2. Водородная бомба. Фотография взрыва первой французской термоядерной бомбы Канопус, которая была испытана 24 августа 1968 года во Французской Полинезии.

6 слайд

Самой мощной из испытанных бомб была водородная бомба мощностью 57 мегатонн (57 миллионов тонн тротилового эквивалента), создана в СССР. Среди разработчиков были Сахаров, Харитонов и Адамский. Утром 30 октября 1961 года в 11:32 бомба, сброшенная с высоты 10 км, достигла высоты 4000 метров над Новой Землей (СССР) и была приведена в действие. Место взрыва напоминало ад – землю устилал толстый слой пепла от сгоревших скал. В радиусе 50 километров от эпицентра все горело, хотя перед взрывом здесь лежал снег высотой в человеческий рост, в 400 километрах в заброшенном поселке были разрушены деревянные дома.. Мощность взрыва в 10 раз превысила суммарную мощность всех взрывчатых веществ, использованных во второй мировой войне.

7 слайд

Механизм действия водородной бомбы. Последовательность процессов, происходящих при взрыве водородной бомбы, можно представить следующим образом. Сначала взрывается находящийся внутри оболочки заряд-инициатор термоядерной реакции (небольшая атомная бомба), в результате чего возникает нейтронная вспышка и создается высокая температура, необходимая для инициации термоядерного синтеза. Нейтроны бомбардируют вкладыш из соединения дейтерия с литием-6. Литий-6 под действием нейтронов расщепляется на гелий и тритий. Затем начинается термоядерная реакция в смеси дейтерия с тритием, температура внутри бомбы стремительно нарастает, вовлекая в синтез все большее и большее количество водорода.

8 слайд

Водородная бомба для стратегической авиации Самая первая водородная бомба, освоенная серийным производством и принятая на вооружение стратегической авиации. Окончание разработки - 1962 г. Музей РФЯЦ–ВНИИТФ г.Снежинск.

9 слайд

Преимущества управляемой термоядерной реакции Идея создания термоядерного реактора зародилась в 1950-х годах. В настоящее время (2010) управляемый термоядерный синтез ещё не осуществлён. Термоядерная энергетика, в которой используется абсолютно нерадиоактивный дейтерий и радиоактивный тритий, но в объемах в тысячи раз меньших, чем в атомной энергетике, будет более экологически чистой. А в возможных аварийных ситуациях радиоактивный фон вблизи термоядерной электростанции не превысит природных показателей. При этом на единицу веса термоядерного топлива получается примерно в 10 млн. раз больше энергии, чем при сгорании органического топлива, и примерно в 100 раз больше, чем при расщеплении ядер урана. Источник этот практически неисчерпаем, он основан на столкновении ядер водорода, а водород - самое распространенное вещество во Вселенной. Этой проблемой занимались в CCCР И.В. Курчатов, А.Д. Сахаров, И.Е. Тамм, Л.А.Арцимович, Е.П. Велихов

10 слайд

Основные направления исследований УТС Основная проблема – удержать газ при температуре 107 К (плазму) в замкнутом пространстве. На данный момент достаточно интенсивно финансируются две принципиальные схемы осуществления управляемого термоядерного синтеза. 1. Квазистационарные системы, в которых удержание плазмы осуществляется магнитным полем при относительно низком давлении и высокой температуре. 2. Импульсные системы. В таких системах УТС осуществляется путем кратковременного нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий, сверхмощными лазерными или ионными импульсами. Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов.

11 слайд

ТОКАМАК- тороидальная вакуумная камера для магнитного удержания плазмы. Плазма удерживается магнитным полем, внутри которого плазменный «шнур» висит, не касаясь стенок камеры – «бублика». Впервые разработан в Институте атомной энергии им. Курчатова для исследования проблемы управляемого термоядерного синтеза. На камеру намотаны катушки для создания магнитного поля. Из вакуумной камеры сначала откачивают воздух, а затем заполняют её смесью дейтерия и трития. Затем, с помощью индуктора, в камере создают вихревое электрическое поле. Индуктор представляет собой первичную обмотку большого трансформатора, в котором камера ТОКАМАКа является вторичной обмоткой. Вихревое электрическое поле вызывает протекание тока в плазме и её нагрев.

12 слайд

Проблемы управляемого термоядерного синтеза в ТОКАМАКе Увеличение давления в плазме вызывает в ней процессы, отрицательно сказывающиеся на устойчивости этого состояния вещества. В ней возникают возмущения типа «шейки», «змейки» , что ведёт к выбрасыванию плазмы на стенки камеры. Они разрушаются и плазма остывает. Магнитное поле должно препятствовать движению плазмы поперек силовых линий. Пока ТОКАМАК, магнитное поле которого создаётся при помощи сверхпроводящих электромагнитов, требует для удержания жгута плазмы больше энергии, чем выделяется вследствие слияния ядер. Пока удаётся получить плотность плазмы 1014 частиц на см3 на время 1 с, что не позволяет пока запустить самоподдерживающуюся термоядерную реакцию. Произведение плотности плазмы на время удержания должны быть в 20 раз больше, чем достигнуто сейчас. Для промышленного использования реакции термоядерного синтеза должны идти непрерывно в течение длительного времени. Чтобы добиться протекания реакции в требуемом масштабе, необходимо поднять давление в плазме.

13 слайд

В таких системах УТС осуществляется путем кратковременного сжатия и сверхбыстрого нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий, сверхмощными многоканальными лазерами или ионными импульсами. Такое облучение вызывает в центре мишени термоядерную реакцию. Мишень для УТС состоит из полой оболочки (1), слоя твердой замороженной ДТ смеси (2) и ДТ газа низкой плотности в центре мишени (3). Главная идея - осуществление такого режима сжатия мишени, когда до температуры зажигания доводится лишь ее центральная часть, а основная масса топлива остается холодной. Затем волна горения распространяется к поверхностным слоям топлива.

14 слайд

Ливерморская национальная лаборатория в Калифорнии - самый мощный в мире лазерный комплекс. 192 мощных лазера, которые будут одновременно направляться на миллиметровую сферическую мишень (около 150 микрограммов смеси дейтерия и трития). Температура мишени достигнет в результате 100 млн. градусов, при этом давление внутри шарика в 100 млрд. раз превысит давление земной атмосферы. То есть условия в центре мишени будут сравнимы с условиями внутри Солнца. Импульсная термоядерная установка подобна двигателю внутреннего сгорания, в котором происходят взрывы горючего, периодически подаваемого в рабочую камеру. Трудности УТС заключаются в проблеме мгновенно и равномерно нагреть смесь. Расчеты показывают, что если достичь плотности в 1000 раз выше плотности твердого водорода, то одного миллиона джоулей будет достаточно для поджига термоядерной реакции. Но пока в экспериментальных установках плотность возрастает лишь в 30-40 раз. Основное препятствие- недостаточная равномерность освещения мишени.

15 слайд

Термоядерный реактор будет потреблять очень небольшое количество лития и дейтерия. Например, реактор с электрической мощностью 1 ГВт будет сжигать около 100 кг дейтерия и 300 кг лития в год. Если предположить, что все термоядерные электростанции будут производить 5 ·1020 Дж в год, т.е. половину будущих потребностей электроэнергии, то общее годовое потребление дейтерия и лития составят всего 1500 и 4500 тонн. При таком потреблении содержащегося в воде дейтерия (0,015%) хватит на то, чтобы снабжать человечество энергией в течение многих миллионов лет. Термоядерный синтез-надежда современной энергетики

16 слайд

Международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР Проблема управляемого термоядерного синтеза настолько сложна, что самостоятельно с ней не справится ни одна страна. Поэтому мировое сообщество избрало самый оптимальный путь - создание проекта международного термоядерного экспериментального реактора - ИТЭР, в котором на сегодня участвуют, кроме России, США, Евросоюз, Япония, Китай и Южная Корея. Термоядерный реактор будет построен в Кадараше (Франция) и введен в эксплуатацию примерно в 2016 году. Именно ТОКАМАК должен стать основой первого в мире экспериментального термоядерного реактора.

17 слайд

Топливо с Луны (гелий-3) Эта реакция требует более высоких температур, но является экологически чистой, поскольку выделяются не всепроникающие нейтроны, как в других ядерных реакциях, а заряженные протоны, которые несложно уловить без риска, что конструкционные материалы станут радиоактивными. Срок службы реактора значительно возрастает, конструкция упрощается, надежность возрастает. Так как протоны несут электрический заряд, возникает возможность прямого преобразования термоядерной энергии в электрическую, минуя потери на тепловое преобразование. На Земле гелия-3 всего 4 тысячи тонн. Для обеспечения России нужно приблизительно 20 тонн гелия-3 в год, для современной мировой экономики потребуется около 200 т гелия- 3 в год. Его запасы в грунте Луны составляет около 1 млн. т. Добыча гелия-3 вполне по силам космическим ведомствам уже сейчас.

Условия протекания термоядерной реакции Для того, чтобы произошла реакция синтеза, исходные ядра должны попасть в сферу действия ядерных сил(сблизиться на расстояние м), преодолев силу электростатического отталкивания. Это возможно при большой кинетической энергии ядер. Для этого вещество должно иметь температуру 10 7 К. Поэтому реакция названа «термоядерной»(от лат. therme- тепло).

Неуправляемые термоядерные реакции 1.На Солнце уже миллиарды лет происходит неуправляемый термоядерный синтез. По одной из гипотез в недрах Солнца происходит слияние 4 ядер водорода в ядро гелия. При этом выделяется колоссальное количество энергии 2. Водородная бомба. Фотография взрыва первой французской термоядерной бомбы Канопус, которая была испытана 24 августа 1968 года во Французской Полинезии.

Механизм действия водородной бомбы. Последовательность процессов, происходящих при взрыве водородной бомбы, можно представить следующим образом. Сначала взрывается находящийся внутри оболочки заряд- инициатор термоядерной реакции (небольшая атомная бомба), в результате чего возникает нейтронная вспышка и создается высокая температура, необходимая для инициации термоядерного синтеза. Нейтроны бомбардируют вкладыш из соединения дейтерия с литием-6. Литий-6 под действием нейтронов расщепляется на гелий и тритий. Затем начинается термоядерная реакция в смеси дейтерия с тритием, температура внутри бомбы стремительно нарастает, вовлекая в синтез все большее и большее количество водорода.

Основные направления исследований УТС Основная проблема – удержать газ при температуре 10 7 К (плазму) в замкнутом пространстве. На данный момент достаточно интенсивно финансируются две принципиальные схемы осуществления управляемого термоядерного синтеза. 1. Квазистационарные системы, в которых удержание плазмы осуществляется магнитным полем при относительно низком давлении и высокой температуре. 2. Импульсные системы. В таких системах УТС осуществляется путем кратковременного нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий, сверхмощными лазерными или ионными импульсами. Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов.

ТОКАМАК тороидальная вакуумная камера для магнитного удержания плазмы. Плазма удерживается магнитным полем, внутри которого плазменный «шнур» висит, не касаясь стенок камеры – «бублика». Впервые разработан в Институте атомной энергии им. Курчатова для исследования проблемы управляемого термоядерного синтеза. На камеру намотаны катушки для создания магнитного поля. Из вакуумной камеры сначала откачивают воздух, а затем заполняют её смесью дейтерия и трития. Затем, с помощью индуктора, в камере создают вихревое электрическое поле. Индуктор представляет собой первичную обмотку большого трансформатора, в котором камера ТОКАМАКа является вторичной обмоткой. Вихревое электрическое поле вызывает протекание тока в плазме и её нагрев.

Проблемы управляемого термоядерного синтеза в ТОКАМАКе Увеличение давления в плазме вызывает в ней процессы, отрицательно сказывающиеся на устойчивости этого состояния вещества. В ней возникают возмущения типа «шейки», «змейки», что ведёт к выбрасыванию плазмы на стенки камеры. Они разрушаются и плазма остывает. Магнитное поле должно препятствовать движению плазмы поперек силовых линий. Пока ТОКАМАК, магнитное поле которого создаётся при помощи сверхпроводящих электромагнитов, требует для удержания жгута плазмы больше энергии, чем выделяется вследствие слияния ядер. Пока удаётся получить плотность плазмы частиц на см 3 на время 1 с, что не позволяет пока запустить самоподдерживающуюся термоядерную реакцию. Произведение плотности плазмы на время удержания должны быть в 20 раз больше, чем достигнуто сейчас. Для промышленного использования реакции термоядерного синтеза должны идти непрерывно в течение длительного времени. Чтобы добиться протекания реакции в требуемом масштабе, необходимо поднять давление в плазме.

Ливерморская национальная лаборатория в Калифорнии - самый мощный в мире лазерный комплекс. 192 мощных лазера, которые будут одновременно направляться на миллиметровую сферическую мишень (около 150 микрограммов смеси дейтерия и трития). Температура мишени достигнет в результате 100 млн. градусов, при этом давление внутри шарика в 100 млрд. раз превысит давление земной атмосферы. То есть условия в центре мишени будут сравнимы с условиями внутри Солнца. Импульсная термоядерная установка подобна двигателю внутреннего сгорания, в котором происходят взрывы горючего, периодически подаваемого в рабочую камеру. Трудности УТС заключаются в проблеме мгновенно и равномерно нагреть смесь. Расчеты показывают, что если достичь плотности в 1000 раз выше плотности твердого водорода, то одного миллиона джоулей будет достаточно для поджига термоядерной реакции. Но пока в экспериментальных установках плотность возрастает лишь в 3040 раз. Основное препятствие недостаточная равномерность освещения мишени.

Термоядерный реактор будет потреблять очень небольшое количество лития и дейтерия. Например, реактор с электрической мощностью 1 ГВт будет сжигать около 100 кг дейтерия и 300 кг лития в год. Если предположить, что все термоядерные электростанции будут производить 5 ·10 20 Дж в год, т.е. половину будущих потребностей электроэнергии, то общее годовое потребление дейтерия и лития составят всего 1500 и 4500 тонн. При таком потреблении содержащегося в воде дейтерия (0,015%) хватит на то, чтобы снабжать человечество энергией в течение многих миллионов лет. Термоядерный синтез-надежда современной энергетики

Международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР П роблема управляемого термоядерного синтеза настолько сложна, что самостоятельно с ней не справится ни одна страна. Поэтому мировое сообщество избрало самый оптимальный путь - создание проекта международного термоядерного экспериментального реактора - ИТЭР, в котором на сегодня участвуют, кроме России, США, Евросоюз, Япония, Китай и Южная Корея. Термоядерный реактор будет построен в Кадараше (Франция) и введен в эксплуатацию примерно в 2016 году. Именно ТОКАМАК должен стать основой первого в мире экспериментального термоядерного реактора.

Урок физики 11 класс. Учитель Крайцер Г.И.

Атомная физика. Урок № 63

Тема урока : Термоядерные реакции

Тип урока : комбинированный

Цель урока : знакомство с термоядерными реакциями

Задачи :

Познакомиться с термоядерными реакциями,

Развивать навыки самостоятельной работы, решения расчетных задач.

Воспитывать положительное отношение к учебе.

Ресурсы урока

Интерактивная доска;

Презентация к уроку;

Листы деятельности;

Карточки-задания;

Таблица Д.И. Менделеева

Таблица относительных атомных масс некоторых изотопов

Учебник физики 11 класс

План урока

Вводно-мотивационный этап

Актуализация знаний

Изучение новой темы

Работа с учебником

Заполнение листов деятельности

Закрепление

Решение задачи Ж.Верна

Задача на расчет массы термоядерного топлива

Выполнение заданий разного уровня

Итог урока

Тестовый контроль

Выдача домашнего задания

Рефлексия

Ход урока

Вводно-мотивационный этап

Герой Ж.Верна Сайрес Смит предсказывал «Когда каменноугольные залежи иссякнут, человек превратит в топливо воду, люди будут обогреваться водой. Вода – это уголь грядущих веков» /слайд 1/

Сегодня на уроке нам предстоит ответить на вопрос: Утопия это предсказание или в нем есть зерно истины.

Актуализация знаний

На предыдущем уроке мы говорили о ядерных реакциях

Что называют ядерной реакцией?

Какие законы сохранения выполняются во время ядерной реакции?

Как осуществляется ядерная реакция?

Каково значение ядерных реакций для человека? /слайд2/

Внутреннюю энергию ядра можно получить

При делении тяжелых ядер. В реакциях синтеза легких ядер. /слайд3/

Тема нашего урока «Термоядерные реакции» /слайд4/

Изучение нового материала

Работа с текстом учебника. Откройте стр297, прочитайте текст, выделяя главное;

Заполните листы деятельности;

Обсуждение нового материала

а) Что называют термоядерной реакцией?

б) Какие легкие ядра нам известны?

в) Каковы запасы водорода на нашей планете?

г) В чем трудности осуществления ядерного синтеза?

д) Где протекают термоядерные реакции во Вселенной?

е) Созданы ли управляемые термоядерные реакторы?

Из сказанного можно сделать вывод, что Сайрес Смит прав. Вода действительно может быть топливом. А как много выделяется энергии при ядерном синтезе?

Закрепление

1 1 Н + 1 1 Н 4 2 Не + ∆Е /слайд5/

Сколько дейтерия нужно сжигать в термоядерном реакторе ежегодно, чтобы удовлетворить современную потребность в энергии, если она составляет 3*10 20 Дж? /слайд6/

В нашу школу завезли на зиму 200т угля. Сколько потребуется дейтерия, чтобы удовлетворить потребности школы в энергии на зимний период?

Самостоятельное выполнение заданий разного уровня (у каждого ученика карточка-задание)

Итог урока

Выполнение тестового задания /слайд7 /

Термоядерная реакция - …

Термоядерные реакции протекают

А) с выделение энергии

В) с поглощение энергии

С) с поглощение энергии и выделение энергии

При реакции ядерного синтеза масса покоя ядра, образовавшегося в результате реакции, __________ массы покоя исходных ядер.

А) больше

В) меньше

С) равна

Плазма – это …

Синтез ядер легких элементов осуществляется при температуре ______.

А) 100 К

В) 10 7 – 10 9 К

С) 0 К

Домашнее задание

решение задач рассмотреть

составить тест из 5 вопросов с тремя вариантами ответов

Рефлексия

Термоядерные реакции

Уровень А

Допиши уравнения ядерных реакций

Уровень В

Определите энергетический выход ядерной реакции

1. 7 3 Li + 2 1 H 8 4 Be + 1 0 n

2. 2 1 H + 3 1 H 4 2 H + 1 0 n

Уровень С

1. Какую частоту имеет испускаемый при термоядерной реакции γ - кант 2 1 Н + 2 1 Н 4 2 Не + γ , если α- частицы обладают энергией 19,7 МэВ?

Лист деятельности

Знать: определение термоядерной реакции, что такое термоядерный синтез

Уметь: определять продукты ядерных реакций на основе законов сохранения

электрического заряда и массового числа,

вычислять энергию выхода ядерных реакций

Термоядерная реакция –

Сумма масса покоя ядер легких элементов_______ массы покоя ядра, образованного при их объединении.

Трудности осуществления ядерного синтеза

Слайд 2

Термоядерная реакция -реакция слияния легких ядер при очень высокой температуре, сопровождающаяся выделением энергии

Энергетически очень выгодна!!!

Слайд 3

Сравнение термоядерной энергии и выделяющейся при реакции горения

Синтез 4 г гелия Сгорание 2 вагонов каменного угля

Слайд 4

Условия протекания термоядерной реакции

Для того, чтобы произошла реакция синтеза, исходные ядра должны попасть в сферу действия ядерных сил(сблизиться на расстояние 10-14 м), преодолев силу электростатического отталкивания. Это возможно при большой кинетической энергии ядер. Для этого вещество должно иметь температуру 107 К. Поэтому реакция названа «термоядерной»(от лат. therme-тепло).

Слайд 5

Неуправляемые термоядерные реакции

На Солнце уже миллиарды лет происходит неуправляемый термоядерный синтез. По одной из гипотез в недрах Солнца происходит слияние 4 ядер водорода в ядро гелия. При этом выделяется колоссальное количество энергии 2. Водороднаябомба. Фотография взрыва первой французской термоядерной бомбы Канопус, которая была испытана 24 августа 1968 года во Французской Полинезии.

Слайд 6

Слайд 7

Механизм действия водородной бомбы.

Последовательность процессов, происходящих при взрыве водородной бомбы, можно представить следующим образом. Сначала взрывается находящийся внутри оболочки заряд-инициатор термоядерной реакции (небольшая атомная бомба), в результате чего возникает нейтронная вспышка и создается высокая температура, необходимая для инициации термоядерного синтеза. Нейтроны бомбардируют вкладыш из соединения дейтерия с литием-6. Литий-6 под действием нейтронов расщепляется на гелий и тритий. Затем начинается термоядерная реакция в смеси дейтерия с тритием, температура внутри бомбы стремительно нарастает, вовлекая в синтез все большее и большее количество водорода.

Слайд 8

Водородная бомба для стратегической авиации

Самая первая водородная бомба, освоенная серийным производством и принятая на вооружение стратегической авиации. Окончание разработки - 1962 г. Музей РФЯЦ–ВНИИТФ г.Снежинск.

Слайд 9

Преимущества управляемой термоядерной реакции Идея создания термоядерного реактора зародилась в 1950-х годах. В настоящее время (2010) управляемый термоядерный синтез ещё не осуществлён. Термоядерная энергетика, в которой используется абсолютно нерадиоактивный дейтерий и радиоактивный тритий, но в объемах в тысячи раз меньших, чем в атомной энергетике, будет более экологически чистой. А в возможных аварийных ситуациях радиоактивный фон вблизи термоядерной электростанции не превысит природных показателей. При этом на единицу веса термоядерного топлива получается примерно в 10 млн. раз больше энергии, чем при сгорании органического топлива, и примерно в 100 раз больше, чем при расщеплении ядер урана. Источник этот практически неисчерпаем, он основан на столкновении ядер водорода, а водород - самое распространенное вещество во Вселенной. Этойпроблемой занимались в CCCР И.В. Курчатов, А.Д. Сахаров, И.Е. Тамм, Л.А.Арцимович, Е.П. Велихов

Слайд 10

Основные направления исследований УТС

Основная проблема – удержать газ при температуре 107 К (плазму) в замкнутом пространстве. На данный момент достаточно интенсивно финансируются две принципиальные схемы осуществления управляемого термоядерного синтеза. 1.Квазистационарные системы, в которых удержание плазмы осуществляется магнитным полем при относительно низком давлении и высокой температуре. 2. Импульсные системы. В таких системах УТС осуществляется путем кратковременного нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий, сверхмощными лазерными или ионными импульсами. Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов.

Слайд 11

ТОКАМАК- тороидальная вакуумная камера для магнитного удержания плазмы. Плазма удерживается магнитным полем, внутри которого плазменный «шнур» висит, не касаясь стенок камеры – «бублика». Впервые разработан в Институте атомной энергии им. Курчатова для исследования проблемы управляемого термоядерного синтеза. На камеру намотаны катушки для создания магнитного поля. Из вакуумной камеры сначала откачивают воздух, а затем заполняют её смесью дейтерия и трития. Затем, с помощью индуктора, в камере создают вихревое электрическое поле. Квазистационарные системы Индуктор представляет собой первичную обмотку большого трансформатора, в котором камера ТОКАМАКа является вторичной обмоткой. Вихревое электрическое поле вызывает протекание тока в плазме и её нагрев.

Слайд 12

Проблемы управляемого термоядерного синтеза в ТОКАМАКе

Увеличение давления в плазме вызывает в ней процессы, отрицательно сказывающиеся на устойчивости этого состояния вещества. В ней возникают возмущения типа «шейки», «змейки» , что ведёт к выбрасыванию плазмы на стенки камеры. Они разрушаются и плазма остывает. Магнитное поле должно препятствовать движению плазмы поперек силовых линий. Пока ТОКАМАК, магнитное поле которого создаётся при помощи сверхпроводящих электромагнитов, требует для удержания жгута плазмы больше энергии, чем выделяется вследствие слияния ядер. Пока удаётся получить плотность плазмы 1014 частиц на см3 на время 1 с, что не позволяет пока запустить самоподдерживающуюся термоядерную реакцию. Произведение плотности плазмы на время удержания должны быть в 20 раз больше, чем достигнуто сейчас. Для промышленного использования реакции термоядерного синтеза должны идти непрерывно в течение длительного времени. Чтобы добиться протекания реакции в требуемом масштабе, необходимо поднять давление в плазме.

Слайд 13

В таких системах УТС осуществляется путем кратковременного сжатия и сверхбыстрого нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий, сверхмощными многоканальными лазерами или ионными импульсами. Такое облучение вызывает в центре мишени термоядерную реакцию. Импульсные системы Мишень для УТС состоит из полой оболочки (1), слоя твердой замороженной ДТ смеси (2) и ДТ газа низкой плотности в центре мишени (3). Главная идея - осуществление такого режима сжатия мишени, когда до температуры зажигания доводится лишь ее центральная часть, а основная масса топлива остается холодной. Затем волна горения распространяется к поверхностным слоям топлива.

Слайд 14

Ливерморская национальная лаборатория в Калифорнии - самый мощный в мире лазерный комплекс.

192 мощных лазера, которые будут одновременно направляться на миллиметровую сферическую мишень (около 150 микрограммов смеси дейтерия и трития). Температура мишени достигнет в результате 100 млн. градусов, при этом давление внутри шарика в 100 млрд. раз превысит давление земной атмосферы. То есть условия в центре мишени будут сравнимы с условиями внутри Солнца. Импульсная термоядерная установка подобна двигателю внутреннего сгорания, в котором происходят взрывы горючего, периодически подаваемого в рабочую камеру. Трудности УТС заключаются в проблеме мгновенно и равномерно нагреть смесь. Расчеты показывают, что если достичь плотности в 1000 раз выше плотности твердого водорода, то одного миллиона джоулей будет достаточно для поджига термоядерной реакции. Но пока в экспериментальных установках плотность возрастает лишь в 30-40 раз. Основное препятствие- недостаточная равномерность освещения мишени.

Слайд 15

Слайд 16

Международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР

Проблема управляемого термоядерного синтеза настолько сложна, что самостоятельно с ней не справится ни одна страна. Поэтому мировое сообщество избрало самый оптимальный путь - создание проекта международного термоядерного экспериментального реактора - ИТЭР, в котором на сегодня участвуют, кроме России, США, Евросоюз, Япония, Китай и Южная Корея. Термоядерный реактор будет построен в Кадараше (Франция) и введен в эксплуатацию примерно в 2016 году. Именно ТОКАМАК должен стать основой первого в мире экспериментального термоядерного реактора.

Слайд 17

Топливо с Луны (гелий-3)

Эта реакция требует более высоких температур, но является экологически чистой, поскольку выделяются не всепроникающие нейтроны, как в других ядерных реакциях, а заряженные протоны, которые несложно уловить без риска, что конструкционные материалы станут радиоактивными. Срок службы реактора значительно возрастает, конструкция упрощается, надежность возрастает. Так как протоны несут электрический заряд, возникает возможность прямого преобразования термоядерной энергии в электрическую, минуя потери на тепловое преобразование. На Земле гелия-3 всего 4 тысячи тонн. Для обеспечения России нужно приблизительно 20 тонн гелия-3 в год, для современной мировой экономики потребуется около 200 т гелия- 3 в год. Его запасы в грунте Луны составляет около 1 млн. т. Добыча гелия-3 вполне по силам космическим ведомствам уже сейчас.

Слайд 18

Посмотреть все слайды

План-конспект урока

« »

1.Предмет: ФИЗИКА

2. Класс: 11

3.Тема и номер урока в теме: Физика атомного ядра(16 урок)

4. Базовый учебник: «Физика. 11 класс», Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, В. М. Чаругин, М., Просвещение, 2014 г.

5.Цель урока: познакомиться с протеканием термоядерной реакции и применением ядерной энергетики .

6. Планируемые результаты:

-предметные : ученик узнает о реакции слияния легких ядер при очень высокой температуре, о роли термоядерной реакции в эволюции Вселенной;

ученик познакомится с реакцией взаимодействия дейтерия и трития водорода.

- метапредметные:

регулятивные : ученик самостоятельно ставит цели и планирует пути достижения; распределяет своё время;

ученик оценивает свои возможности достижения цели;

коммуникативные: ученик полно и точно выражает свои мысли; организовывает и планирует учебное взаимопонимание с учителем и сверстниками;

познавательные: ученик даёт определения понятиям, ученик получает возможность познакомиться с важностью применения неисчерпаемого источника энергии порядка 17 МэВ;

-личностные : ученик получит возможность для формирования устойчивой учебно – познавательной мотивации, готовности к самообразованию и самовоспитанию.

7.Тип урока: урок получения нового знания.

8.Формы работы учащихся : индивидуальная, фронтальная.

9.Необходимое техническое оборудование: компьютер, проектор, учебник, экран, Электронные образовательные ресурсы: информационный, (), установленный ОМС-плеер.

Структура и ход урока

I. Организационный момент

Приветствие;

Определение отсутствующих;

Проверка готовности учащихся к уроку;

Организация внимания.

II . Актуализация знания

В начале этого занятия нужно повторить изученный материал, который будет необходим нам для изучения нового материала.

III . Мотивирование к учебной деятельности

Возможны два принципиально различных способа освобождения ядерной энергии: деление тяжелых ядер и слияние легких ядер (термоядерный синтез).

При слиянии легких ядер и образовании нового ядра должно выделяться большое количество энергии. Это видно из кривой зависимости удельной энергии связи от массового числа A. Вплоть до ядер с массовым числом около 60 удельная энергия связи нуклонов растет с увеличением A. Поэтому синтез любого ядра с A < 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Рис. 1.1. Зависимость удельной энергии связи ядра от массового числа

IV . Самоопределение деятельности. Целеполагание. Формулировка темы урока.

Попробуйте сформулировать цель урока.

Можно ли получить энергию, используя лёгкие ядра? Что скорее всего должно происходить?

Всё это вы узнаете сегодня на этом уроке.

Запишите, пожалуйста, тему урока: « Термоядерные реакции. Применение ядерной энергии »

V . Построение проекта выхода из затруднения

Познакомьтесь, пожалуйста, с наглядной информацией о слиянии лёгких ядер: моделью демонстрации синтеза гелия, термоядерными реакциями в горячих звездах, управляемыми термоядерными реакциями, источниками энергии звезд, используя ЭОР информационного характера:

Более подробно изучите тему по учебнику (с.320-324) и найдите ответы на следующие вопросы:

Учитель подводит итоги урока, акцентирует внимание на конечных результатах учебной деятельности. Выставляет оценки за урок.

Учитель предлагает учащимся продолжить предложение:

Я узнал…

Теперь я могу…

Я затруднялся…

Мне понравилось…

I Х. Домашнее задание (учитель даёт пояснение к выполнению домашней работы)