Дейтерий и тритий: Дейтерий и тритий: водород, да не тот

Энергия реакций распада и синтеза в ядре атома давно нашла применение в науке и технике. Она используется в промышленности, оружии, геологии, на атомных электростанциях. Процессы ядерных реакций могут приносить как пользу, так и огромный вред. В статье речь пойдет о том, что это такое – тритий, как он добывается, о его использовании в атомной энергетике и какие опасности связаны с его применением.

Изотопы водорода

Прежде чем объяснить, что это такое тритий, необходимо познакомиться с понятием изотопа.

Атом любого вещества состоит из ядра и электронов (отрицательно заряженных частиц), движущихся по орбитам вокруг него. Ядро атома содержит положительно заряженные частицы – протоны, и частицы с нейтральным зарядом – нейтроны.

В обычном атоме число электронов и протонов совпадает, а вот количество нейтронов может отличаться. В этом случае элементы, имеющие разное число нейтронов в ядре, называются изотопами элемента.

Водород имеет заряд 1, то есть в нем содержится один электрон и один протон. Его изотопы – протий, дейтерий и тритий. Слово “протий” образовано от греческого слова “первый”. Этот элемент имеет лишь один протон в ядре. По сути, он представляет собой привычный нам водород.

Дейтерий означает “второй”. В его ядре имеется один протон и один нейтрон. А тритий переводится как “третий” и содержит в ядре опять же один протон, но два нейтрона.

Краткий ответ на вопрос “Тритий – что это такое?” выглядит так: это третий изотоп химического элемента водорода.

История открытия

Названия для изотопов 1Н и 2Н – протия и дейтерия – были предложены американским физиком Гарольдом Юри. Обнаружив существование дейтерия, ученые сразу предположили наличие третьего изотопа водорода, имеющего два нейтрона в ядре. Юри для исследований использовал метод спектрального анализа. Однако результатов он не дал. Оказалось, что концентрация трития слишком мала, чтобы его можно было обнаружить традиционными способами. В природе это вещество практически невозможно найти. Поэтому для исследований стали использоваться другие методы, например, масс-спектрометрия.

В 1934 году Эрнест Резерфорд сумел искусственно получить третий изотоп при помощи ядерных реакций. Само собой, название было выбрано заранее, и, по аналогии с протием и дейтерием, он стал называться тритием.

Свойства

В нормальных условиях физические свойства трития примерно такие же, как у обычного водорода. Он имеет газообразное состояние; вкус, запах и цвет отсутствуют. При понижении температуры до -250 °C он становится легкой бесцветной жидкостью. А при нагревании он напоминает снег.

Атомная масса трития равняется примерно 3 а.е.м.

Тритий является радиоактивным веществом. Период полураспада составляет 12 лет, что является очень удобным в исследованиях. Канал распада элемента – бета. Тритий превращается в изотоп гелий-3. При этом происходит испускание электронов и антинейтрино.

Дефект масс и энергия связи трития

Одним из ключевых в физике элементарных частиц является понятие энергии связи атомных ядер. Под энергией связи ядра трития понимают то количество энергии, которое необходимо, чтобы произошло расщепление его ядра на отдельные нуклоны. Поскольку ядра удерживаются так называемым сильным взаимодействием, требуется большое количество энергии, чтобы их расщепить.

Чтобы высчитать энергию связи ядра, необходимо знать массу субатомных частиц. Известно, что масса покоя ядра меньше суммарной массы нуклонов в его составе. Разницу между массами ядра и суммами его нуклонов называют дефектом масс.

Дефект массы трития, как и других ядер, рассчитывается по формуле:

Δm = (Z*m_p + N*m_n) – М_я, где

Z – число протонов;

N – число нейтронов;

m_p – масса протона;

m_n – масса нейтрона;

М_я – масса ядра.

Удельная энергия связи для элемента трития составляет 2 827,2 кэВ на нуклон.

Тритий в природе

Количество этого изотопа в природе является ничтожным. Связано это с его радиоактивностью, то есть нестабильностью ядра.

В природе он вырабатывается в основном в верхних слоях атмосферы. Его формирование осуществляется при сталкивании частиц космических лучей с ядрами атомов, например, азота. Поскольку тритий образуется в атмосфере, его источники на Земле – осадки (дождь и снег).

По подсчетам ученых, в чистом виде трития на Земле содержится едва ли более 1 кг. Поэтому его вырабатывают искусственно, в лабораторных условиях.

Производство трития

В настоящее время получение данного изотопа не представляет трудностей, но является чрезвычайно дорогостоящим процессом. Для изготовления одного килограмма вещества требуются затраты в размере 30 млн долларов.

В качестве сырья используют чаще всего литий. Реже – бериллий или бор. Литий подвергают нейтронному облучению на циклотроне. Затем его растворяют в воде, получая водород, в составе которого имеется тритий. Половина лития приходит в негодность в результате этого процесса и отравляется в утиль.

Для получения водорода с тритием из бериллия и бора их обрабатывают серной кислотой.

Еще одним способом получения изотопа является облучение тяжелой воды дейтронами. Тяжелая вода – вещество, образующееся из дейтерия (другое название – оксид дейтерия). После облучения такую воду подвергают электролизу и затем извлекают тритий.

В настоящее время элемент производится в основном на территории США, Канады и России.

Радиоактивность

Тритий является радиоактивным. При его распаде выделяется бета-излучение, представляющее собой поток электронов.

При внешнем облучении организма тритий не наносит серьезного вреда. Однако при попадании внутрь с водой, пищей или воздухом он может нанести существенный ущерб здоровью. Дело в том, что являясь изотопом водорода, тритий способен замещать его в химических соединениях. Таким образом, он попадает внутрь живых клеток и встраивается в их структуру. Это сказывается на генетической информации клетки.

Как было сказано, в природе тритий практически не встречается, поэтому едва ли может нанести вред живым организмам. Однако предприятия атомной промышленности становятся источником искусственной выработки этого изотопа. Атомные электростанции выбрасывают тритий в жидком и газообразном состоянии. Причина этого в том, что изотоп практически не фильтруется. В год на АЭС образуется до 4 кг трития. Результатом выбросов становится радиоактивное загрязнение почвы, воздуха и воды. Таким образом, он является потенциальным источником заражения живых организмов. Именно поэтому тритий был занесен в список контролируемых параметров при оценке качества питьевой воды.

Применение

Основное направление использования трития – атомная промышленность. Дело в том, что реакция слияния дейтерия и трития приводит к управляемому термоядерному синтезу. Энергия связи трития настолько велика, что в ходе термоядерных реакций вырабатывается в огромном количестве, в разы больше, чем при реакциях распада атомных ядер, поэтому управляемые термоядерные реакции могут стать главным источником энергии на Земле на многие годы. В связи с этим ученые в настоящее время работают над строительством термоядерного реактора, в котором процессы синтеза ядер происходили бы в крупных масштабах. Наиболее известный проект такого реактора – строящийся в настоящее время ITER (ИТЭР) во Франции.

Производство трития может успешно применяться для военных целей, например, при создании термоядерного оружия.

С использованием трития изготавливаются специальные светящиеся краски. Это обусловлено радиолюминесценцией – явлением свечения элемента при радиоактивном распаде. Светящиеся краски наносят на шкалы приборов, а также используются для изготовления брелоков и часов. Количество трития в них не настолько велико, чтобы нести угрозу для здоровья.

Тритий применяется в качестве индикатора химических реакций.

Наконец, этот изотоп используется для определения возраста объектов, которым не более 100 лет, например, вин.

Итак, что это такое – тритий? Выводы:

1. Тритий – изотоп водорода, имеющий в ядре один протон и два нейтрона.
2. Изотоп практически не встречается в природе, но успешно производится в лабораториях.
3. Тритий радиоактивен, и его использование может принести человечеству и пользу, и вред.

Три изотопа водорода

Известно несколько изотопов водорода: дейтерий (²H) с одним протоном и одним нейтроном в ядре, тритий (³H) с одним протоном и двумя нейтронами в ядре и очень неустойчивые тяжелые изотопы ⁴H, ⁵H, ⁶H и ⁷H. Ядра протия и дейтерия стабильны, а ядра трития подвергаются бета-распаду:

³H₁ = ³He₂ + ê (T_1/2 = 12,33 г.)

Предполагают, что эта реакция является главным источником изотопа гелия-3 в атмосфере.

Время жизни атомов остальных изотопов составляет ничтожные доли секунды.

Таблица изотопов водорода:

Содержание изотопов водорода в природе:

Массовая доля (в %) в природной смеси:

¹H – 99,9849   ²H – 0,0139   ³H – 0,0012

Количественные соотношения между изотопами водорода H : D : T могут быть представлены как 1 : 1,46·10^-5 : 4,0·10^-15

Нормальный изотопный состав природных соединений водорода соответствует отношению D : H=1 : 6800

Содержание трития в атмосферном водороде составляет 4·10^-15 % (мольные доли) и в атмосферных осадках ~3·10-18 % (мольные доли). Очевидно, он образуется в результате ядерных реакций, вызванных действием космических лучей.

Получение изотопов водорода

Дейтерий.
Впервые был получен в значительных количествах в виде тяжелой воды D₂O путем электролиза природной воды. При электролизе воды разряд H⁺ происходит значительно быстрее, чем D⁺, поэтому в остатке после разложения электролизом большого количества воды накапливается D₂O. Этот использовался большую часть XX века.

В настоящее время дейтерий получают ректификацией жидкого водорода и пот так называемому двухтемпературному сероводородному методу, в основе которого лежит реакция изотопного обмена:

HDS + H₂O = HDO + H₂S

Константа равновесия которой при 30 и 120 °C равна соответственно 2,31 и 1,86.

Тритий синтезируют, действуя на ⁶Li₃ нейтронами, получаемыми в ядерном реакторе:

⁶Li₃ + ¹n₀ = ⁴He₂ + ³H₁

Для водорода, как ни для какого другого элемента, относительное различие изотопных масс достигает значительной величины. Поэтому, несмотря на одинаковую электронную структуру, все изотопы заметно различаются не только физическими, но и химическими свойствами. Вследствие резкого преобладания протия влияние тяжелых изотопов сказывается незначительно и может быть зафиксировано лишь в очень точных экспериментах. Поэтому можно считать, что свойства природного водорода соответствуют свойствам чистого протия.

Небольшие различия свойств, называемые изотопным эффектом, обусловлены различием масс изотопных атомов, которое в первую очередь сказывается на частоте колебаний атомов в молекулах и твердых телах. Так, колебательная энергия молекул T₂ и D₂ меньше, чем H₂. А это, в свою очередь, сказывается на термодинамических свойствах: теплоемкости, температуре плавления и кипения, энтальпии плавления и испарения, давлении насыщенного пара и т.д. Так, D₂ по сравнению с обычным водородом обладает меньшей теплоемкостью, теплопроводностью и скоростью диффузии. Таким образом, для изотопных соединений характерна термодинамическая неравноценность, а, следовательно, неравноценность активных комплексов при химических реакциях, в результате чего имеет место различие в скоростях протекания реакций, т.е. наблюдается кинетический изотопный эффект. Он выражается отношением констант скоростей химических реакций для различных изотопных соединений. Например, отношение констант скоростей синтеза HBr и DBr равно 5. Такие значительные отличия физических и химических свойств изотопов одного и того же элемента уникальны и не имеют аналогов в периодической системе. Все это в какой-то мере оправдывает применение для каждого изотопа водорода собственного названия (особенно для протия и дейтерия).

Заметно с H₂O различаются также энтальпия растворения солей, константы диссоциации кислот и другие характеристики растворов. Реакции в D2O идут медленнее, поэтому она является биологическим ядом.

ТРИТИЙ | Энциклопедия Кругосвет

ТРИТИЙ – (сверхтяжелый водород), один из изотопов водорода, в ядре которого содержатся один протон и два нейтрона. Радиоактивен, период полураспада – 12,26 года; при бета-распаде превращается в гелий-3. Температура плавления – 252,2° С, температура кипения – 248,1° С.

В погоне за тритием.

Почти сразу же после открытия дейтерия (см. ДЕЙТЕРИЙ И ТЯЖЕЛАЯ ВОДА) начались поиски в природе трития – третьего сверхтяжелого изотопа водорода, в ядре которого помимо одного протона есть два нейтрона. Физикам было очевидно, что если тритий есть в обычном водороде, он будет концентрироваться вместе с дейтерием. Поэтому сразу несколько групп исследователей, которые наладили получение тяжелой воды или имели доступ к ней, включились в погоню за новым изотопом, используя для поисков разные методы. Впоследствии обнаружилось, что почти все методы принципиально не могли дать положительных результатов, так как не обладали нужной чувствительностью.

Уже в первой работе Г.Юри, в которой был открыт дейтерий, была сделана попытка обнаружить и тритий – точно таким же образом, по заранее предсказанному теорией положению спектральных линий. Однако на спектрограммах не было даже намека на эти линии, что, в общем, не удивило исследователей. Если дейтерия в обычном водороде всего сотые доли процента, то вполне вероятно, что трития намного меньше. Вывод был ясен: надо увеличивать как чувствительность анализа, так и степень обогащения водорода его тяжелыми изотопами.

В начале 1933 известный американский физикохимик, автор теории электронных пар Гилберт Льюис совместно с химиком Франком Спеддингом повторил опыт Юри. На этот раз в распоряжении исследователей был сильно обогащенный образец, содержащий 67% дейтерия. Такой образец уже при 2-минутной экспозиции в спектрографе давал на фотопластинке четкие линии дейтерия. Но и за 40 часов экспозиции то место на пластинке, где по теории должны были проявиться линии трития, оставалось совершенно чистым. Это означало, что содержание в обычном водороде трития по крайней мере меньше, чем 1:6·10⁶, т.е. менее одного атома ³H на 6 миллионов атомов ¹H. Отсюда был сделан такой вывод: надо брать еще более концентрированные образцы, то есть подвергать электролизу уже не обычную воду для накопления D₂O, а тяжелую воду для накопления Т₂О (или, по крайней мере, DТО). На практике это означало, что исходной тяжелой воды надо было взять столько, сколько раньше брали обычной воды для получения тяжелой!

После неудач спектроскопистов в поиски включились специалисты по масс-спектрометрии. Этот чрезвычайно чувствительный метод позволяет анализировать ничтожные количества вещества в виде ионов. Для опытов воду сконцентрировали в 225 тысяч раз. Исследователи надеялись найти в образце ионы (DT)⁺ с массой 5. Ионы с такой массой были обнаружены, но оказалось, что они принадлежат трехатомным частицам (НDD)⁺, без какого-либо участия трития. Стало очевидным, что трития, если он и присутствует в природе, намного меньше, чем думали раньше: не больше, чем 1:5·10⁸, то есть уже 1 атом Т на 500 миллионов атомов Н!

Синтез трития.

Пока спектроскописты и масс-спектрометристы публиковали один за другим сообщения о тритии, которые все оказались ложными, тритий был получен искусственно. Это произошло в лаборатории патриарха ядерной физики Эрнста Резерфорда. В марте 1934 в выходящем в Англии журнале «Nature» («Природа») была опубликована небольшая заметка, подписанная М.Л.Олифантом, П.Хартеком и Резерфордом (фамилия лорда Резерфорда не требовала при публикации инициалов!). Несмотря на скромное название заметки: Эффект трансмутации, полученный с тяжелым водородом, она сообщала миру о важном достижении – получении третьего изотопа водорода. Соавторами работы были молодой австралиец Марк Лоуренс Олифант и австриец Пауль Хартек. И если Олифант стал впоследствии академиком и директором Физического института университета Канберры, то судьба Хартека сложилась иначе. Своеобразно понимая свой долг перед немецкой наукой, он в 1934 решил возвратиться в Германию и работать для нацистского режима. В 1939 он написал письмо в высшие военные инстанции Германии о возможности создания атомного оружия, а затем попытался построить урановый котел – к счастью, безуспешно.

В 1933 лабораторию в Кембридже посетил Г.Льюис из Беркли, который подарил Резерфорду три крошечные стеклянные ампулки почти чистой тяжелой воды. Их общий объем был всего 0,5 мл. Олифант получил из этой воды немного чистого дейтерия, который служил для получения пучков ионов D⁺, разгонявшихся в разрядной трубке до высоких энергий. А Хартек синтезировал соединения, в которых атомы водорода были частично заменены атомами дейтерия. Так были получены ничтожные количества «утяжеленного» хлорида аммония путем обменных реакций NH₄Cl + D₂O NH₃DCl + HDO, NH₃DCl + D₂O NH₂D₂Cl + HDO и т.д. При бомбардировке дейтерированного хлорида аммония разогнанными ионами D⁺ наблюдался очень интенсивный поток новых частиц. Как оказалось, это были ядра нового изотопа водорода – трития (их назвали тритонами). Стало очевидным также, что впервые в истории удалось наблюдать ядерный синтез: два атома дейтерия, сливаясь вместе, образовывали неустойчивое ядро гелия-4, которое затем распадалось с образованием трития и протона: ⁴He ® ³H + ¹H.

В том же году Резерфорд уже демонстрировал новые ядерные превращения на своих лекциях: счетчик частиц был соединен через усилитель с громкоговорителем, так что в аудитории раздавались громкие щелчки, которые по мере повышения напряжения на разрядной трубке становились все чаще. При этом на каждый миллион дейтериевых «снарядов», попадающих в мишень, получался один атом трития – это очень много для ядерных реакций такого типа.

Итак, первый тритий был получен искусственно, в результате ядерных реакций. Вопрос о существовании его в природе оставался открытым. Искусственный синтез трития в Кембридже только подхлестнул исследователей, проводивших концентрирование тяжелой воды во все больших и больших масштабах в надежде найти тритий в природном источнике. Так, физики и химики из Принстонского университета, объединив усилия, в 1935 подвергли электролизу уже 75 тонн воды – почти две железнодорожные цистерны! В результате титанических усилий была получена крохотная ампула с остатком обогащенной воды объемом всего 0,5 мл. Это было рекордное концентрирование – в 150 миллионов раз! Масс-спектральный анализ этого остатка не дал ничего нового – в спектре по-прежнему присутствовал пик, отвечающий массе 5, который был приписан ионам (DT)⁺, а оценка содержания трития в природе с учетом огромного концентрирования дала отношение Т:Н ~ 7:10¹⁰, то есть не больше одного атома Т на 70 миллиардов атомов Н.

Таким образом, для обнаружения трития надо было еще больше увеличить степень концентрирования воды. Но это требовало уже гигантских затрат. К решению проблемы подключили самого Резерфорда. Используя свой огромный авторитет, он обратился с личной просьбой к норвежцам, чтобы они провели невиданный доселе по масштабам эксперимент: получили бы тяжелую воду, сконцентрировав обычную в миллиард раз! Сначала было подвергнуто электролизу 13 000 тонн обычной воды, из которых получили 43,4 кг тяжелой воды с содержанием D₂O 99,2%. Далее это количество путем почти 10-месячного электролиза уменьшили до 11 мл. Условия электролиза были выбраны так, чтобы способствовать концентрированию предполагаемого трития. Таким образом, из 13 тысяч тонн воды (а это 5 железнодорожных составов по 50 цистерн в каждом!) была получена всего одна пробирка обогащенной воды. Мир не знал еще столь грандиозных опытов!

Возникла проблема, как лучше всего поступить с этим драгоценным образцом. Вероятно, единственным человеком в мире, способным непосредственно различить в масс-спектрометре очень близкие по массе ионы (DT)⁺ и «маскирующиеся» под них ионы (DDH)⁺, был нобелевский лауреат Ф.У.Астон – выдающийся специалист в области масс-спектрометрического анализа. Именно ему было решено передать образец для анализа. Результат был обескураживающим: не было никаких следов присутствия ионов DT⁺! Соответственно оценка отношения T:H было снижено до 1:10¹². Стало очевидным, что если тритий и присутствует в природных источниках, то в таких ничтожных количествах, что его выделение из них сопряжено с неимоверными, если вообще преодолимыми трудностями.

Обнаружение природного трития.

Может ли тритий быть радиоактивным? Уже Резерфорд после неудачи со своим грандиозным опытом не исключал такой возможности. Расчеты также говорили о том, что ядро трития должно быть нестабильным и, следовательно, он должен быть радиоактивным. Именно радиоактивностью трития со сравнительно небольшим временем жизни можно было объяснить ничтожные его количества в природе. Действительно, вскоре радиоактивности у трития была обнаружена экспериментально. Конечно, это был искусственно полученный тритий. В течение 5 месяцев не было заметно спада радиоактивности. Из этого следовало, с учетом точности экспериментов, что период полураспада трития не меньше 10 лет. Современные измерения дают для периода полураспада трития 12,262 года.

При распаде тритий испускает бета-частицы, превращаясь в гелий-3. Энергия излучения трития настолько мало, что оно не может пройти даже через тоненькую стенку счетчика Гейгера. Поэтому анализируемый на присутствие трития газ необходимо запускать внутрь счетчика. С другой стороны, малая энергия излучения имеет свои преимущества – с соединениями трития (если они нелетучи) работать не опасно: испускаемые им бета-лучи проходят в воздухе всего несколько миллиметров.

Для отработки методов анализа трития потребовались значительные его количества. Поэтому стали появляться новые способы его синтеза, например, ⁹Be + ²H ® ⁸Be + ³H, ⁶Li + ¹n ® ⁴He + ³H и другие. А точность анализа чрезвычайно повысилась. Стало возможным, например, анализировать образцы, в которых происходил всего один распад атома трития в секунду – в таком образце трития содержится меньше, чем 10^–15 моль! Теперь в руках физиков был исключительно чувствительный метод анализа – в довоенные годы он был примерно в миллион раз чувствительнее, чем масс-спектрометрический. Настало время вернуться к поискам трития в природных источниках.

Тритий в природе.

В 1946 известный авторитет в области ядерной физики, лауреат Нобелевской премии У.Ф.Либби предположил, что тритий непрерывно образуется в результате идущих в атмосфере ядерных реакций. Первые измерения радиоактивности природного водорода, хотя и были неудачными, показали, что отношение Н:Т на 5 порядков меньше, чем думали раньше и составляет не более 1:10¹⁷. Стала очевидной невозможность обнаружения трития масс-спектрометрически даже при самых больших обогащениях: к началу 50-х годов масс-спектрометры позволяли определять концентрации примесей при их содержании не менее 10^–4%.

В 1951 группа американских физиков из Чикагского университета с участием У.Либби достала хранившуюся «резерфордовскую» ампулу с 11 мл сверхобогащенной тяжелой воды, в которой Астон когда-то пытался обнаружить тритий масс-спектрометрически. И хотя с момента выделения этого образца из природной воды прошло полтора десятка лет и от содержащегося в нем трития осталось меньше половины, результат не заставил себя ждать: тяжелая вода была радиоактивна! Измеренная активность с учетом обогащения при получении образца соответствовала природному содержанию трития 1:10¹⁸.

Чтобы застраховаться от возможной ошибки, решили повторить все с самого начала, тщательно следя за каждым шагом этого решающего эксперимента. Авторы попросили норвежскую компанию приготовить еще несколько образцов обогащенной воды. Воду взяли из горного озера на севере Норвегии в январе 1948. Из нее путем электролитического концентрирования получили 15 мл тяжелой воды. Ее перегнали и ввели в реакцию с оксидом кальция: СаО + D₂O ® Ca(OD)₂. Восстановлением цинком при температуре красного каления из дейтероксида кальция получили дейтерий: Ca(OD)₂ + Zn ® CaZnO₂ + D₂. Масс-спектрометрический анализ показал, что получен чистейший дейтерий, который и запустили в счетчик Гейгера для измерения его радиоактивности. Газ оказался радиоактивным, а это означало, что вода, из которой был выделен дейтерий, содержала тритий. Аналогично было приготовлено и проанализировано еще несколько образцов, чтобы уточнить, сколько же трития содержится на самом деле в природном водороде.

Исключительная тщательность работы не оставляла никаких сомнений в полученных результатах. Но еще за год до окончания этой работы вышла статья Ф.Фалтингса и того же П.Хартека из Физико-химического института при Гамбургском университете, в которой сообщалось об обнаружении трития в атмосферном водороде. Таким образом, Хартек дважды участвовал в открытии трития: сначала – искусственного, а через 16 лет – природного.

Воздух – не самый богатый источник водорода – его в нем всего 0,00005% (на уровне моря). Поэтому по заказу немецких физиков фирма «Линде» переработала сто тысяч кубометров воздуха, из которого путем сжижения и ректификации был выделен водород, а из него окислением на оксиде меди получено 80 г воды. С помощью электролиза эта вода была сконцентрирована в несколько десятков раз, затем ею был «погашен» карбид кальция: CaC₂ + 2H₂O ® Ca(OH)₂ + С₂H₂, а ацетилен прогидрирован оставшимся водородом до этана: С₂Н₂ + 2Н₂ ® С₂Н₆. Полученный этан, в который переходил весь исходный тритий, затем анализировали на радиоактивность. Расчет показал, что в воздухе трития (в виде молекул НТ) исключительно мало: в 20 куб. см воздуха содержится одна молекула трития, т.е. во всей атмосфере его должно быть всего… 1 моль или 3 г. Однако если учесть, что водорода в воздухе исключительно мало, то получается, что атмосферный молекулярный водород обогащен тритием в 10 000 раз больше, чем водород в составе дождевой воды. Отсюда следовало, что свободный и связанный водород в атмосфере имеют разное происхождение. Подсчет показал также, что во всех водоемах Земли трития содержится всего лишь 100 кг.

Значение, полученное в Чикаго для содержания трития в воде (Н:Т = 1:10¹⁸), стало общепринятым. Такое содержание атомов трития получило даже специальное название – «тритиевая единица» (ТЕ). В 1 л воды в среднем содержится 3,2·10^–10 г трития, в 1 л воздуха – 1,6·10^–14 г (при абсолютной влажности 10 мг/л). Образуется тритий в верхних слоях атмосферы с участием космического излучения со скоростью 1200 атомов в секунду в расчете на 1 м² земной поверхности. Таким образом, в течение тысячелетий содержание трития в природе было почти постоянным – непрерывное его образование в атмосфере компенсировалось естественным распадом. Однако с 1954 (начало испытаний термоядерных бомб) положение резко изменилось и в дождевой воде содержание трития увеличилось в тысячи раз. И это не удивительно: взрыв водородной бомбы мощностью 1 мегатонна (Мт) приводит к выделению от 0,7 до 2 кг трития. Общая мощность воздушных взрывов составила за 1945–1962. 406 Мт, а наземных – 104 Мт. При этом общее количество трития, поступившее в биосферу в результате испытаний, составило сотни килограммов! После прекращения наземных испытаний уровень трития пошел на убыль. В последние годы основным источником техногенного трития в окружающей среде стали атомные электростанции, которые ежегодно выделяют несколько десятков килограммов трития.

Современные радиохимические методы позволяют с большой точностью определять содержание трития в сравнительно небольшом количестве воды, взятой из того или иного источника. Для чего это нужно? Оказывается, радиоактивный тритий с весьма удобным временем жизни – чуть больше 10 лет – может дать много ценной информации. У.Либби назвал тритий «радиоводородом», по аналогии с радиоуглеродом. Тритий может служить прекрасной меткой для изучения различных природных процессов. С его помощью можно определять возраст растительных продуктов, например, вин (если им не больше 30 лет), поскольку виноград поглощает тритий из почвенных вод, а после снятия урожая содержание трития в виноградном соке начинает снижаться с известной скоростью. Сам Либби провел множество подобных анализов, переработав сотни литров различных вин, поставленных ему виноделами из разных местностей. Анализ атмосферного трития дает ценную информацию о космических лучах. А тритий в осадочных породах может свидетельствовать о перемещениях воздуха и влаги на Земле.

Наиболее богатые природные источники трития – дождь и снег, поскольку почти весь тритий, образующийся под действием космических лучей в атмосфере, переходит в воду. Интенсивность космической радиации изменяется с широтой, поэтому осадки, например, в средней полосе России несут в несколько раз больше трития, чем тропические ливни. И совсем мало трития в дождях, которые идут над океаном, поскольку их источник – в основном та же океаническая вода, а ней трития немного. Понятно, что глубинный лед Гренландии или Антарктиды совсем не содержит трития – он там давно успел полностью распасться. Зная скорость образования трития в атмосфере, можно рассчитать, как долго влага находится в воздухе – с момента ее испарения с поверхности до выпадения в виде дождя или снега. Оказалось, что, например, в воздухе над океаном этот срок составляет в среднем 9 дней.

Запасы природного трития ничтожны. Поэтому весь тритий, используемый для различных целей, получают искусственно, путем облучения лития нейтронами. В результате стало возможным получить значительные количества чистого трития и изучить его свойства, а также свойство его соединений. Так, сверхтяжелая вода Т₂О имеет плотность 1,21459 г/см³. Синтезированный тритий сравнительно дешев и находит применение в научных исследованиях и в промышленности. Широкое применение нашли тритиевые светящиеся краски, которые наносят на шкалы приборов. Эти светосоставы с точки зрения радиации менее опасны, чем традиционные радиевые. Например, сульфид цинка, содержащий небольшое количество соединений трития (примерно 0,03 мг на 1 г светосостава), непрерывно излучает зеленый свет. Такие светосоставы постоянного действия используют для изготовления указателей, шкал приборов и т.п. На их производство ежегодно расходуют сотни граммов трития.

Тритий присутствует и в человеческом организме. Он поступает в него с пищей, с вдыхаемым воздухом и через кожу (12%). Интересно, что газообразный Т₂ в 500 раз менее токсичен, чем сверхтяжелая вода Т₂О. Это объясняется тем, что молекулярный тритий, попадая с воздухом в легкие, затем быстро (примерно за 3 мин) выделяется из организма, тогда как тритий в составе воды задерживается в нем на 10 суток и успевает за это время передать ему значительную дозу радиации. В среднем организм человека содержит 5·10^–12 г трития, что дает вклад 0,13 мбэр в общую дозу годового облучения (это в сотни раз меньше облучения от других источников радиации). Интересно, что у людей, носящих часы, в которых стрелки и цифры покрыты тритиевым люминофором, содержание трития в теле в 5 раз выше среднего.

А еще тритий является одним из основных компонентов взрывчатого вещества термоядерных (водородных) бомб, а также весьма перспективен для проведения управляемой термоядерной реакции по схеме D + T > ⁴He + n.

Илья Леенсон

Управляемая термоядерная реакция – это… Что такое Управляемая термоядерная реакция? Солнце — природный термоядерный реактор

Управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерном оружии), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий (²H) и тритий (³H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (³He) и бор-11 (¹¹B)

Типы реакций

Реакция синтеза заключается в следующем: берутся два или больше атомных ядра и с применением некоторой силы сближаются настолько, что силы, действующие на таких расстояниях, преобладают над силами кулоновского отталкивания между одинаково заряженными ядрами, в результате чего формируется новое ядро. Оно будет иметь несколько меньшую массу, чем сумма масс исходных ядер, а разница становится энергией которая и выделяется в процессе реакции. Количество выделяемой энергии описывает известная формула E=mc². Более легкие атомные ядра проще свести на нужное расстояние, поэтому водород – самый распространенный элемент во Вселенной – является наилучшим горючим для реакции синтеза.

Установлено, что смесь двух изотопов водорода, дейтерия и трития, требует менее всего энергии для реакции синтеза по сравнению с энергией, выделяемой во время реакции. Однако, хотя смесь дейтерия и трития (D-T) является предметом большинства исследований синтеза, она в любом случае не является единственным видом потенциального горючего. Другие смеси могут быть проще в производстве; их реакция может надежнее контролироваться, или, что более важно, продуцировать меньше нейтронов. Особенную заинтересованность вызывают, так называемые «Безнейтронные» реакции, поскольку успешное промышленное использование такого горючего будет означать отсутствие долговременного радиоактивного загрязнения материалов и конструкции реактора, что, в свою очередь, могло бы положительно повлиять на общественное мнение и на общую стоимость эксплуатации реактора, существенно уменьшив затраты на его декомиссию. Проблемой остается то, что реакцию синтеза с использованием альтернативных видов горючего намного сложнее поддерживать, потому D-T реакция считается только необходимым первым шагом.

Схема реакции дейтерий-тритий

Управляемый термоядерный синтез может использовать различные виды термоядерных реакций в зависимости от вида применяемого топлива.

Реакция дейтерий + тритий (Топливо D-T)

Самая легко осуществимая реакция — дейтерий + тритий:

²H + ³H = ⁴He + n при энергетическом выходе 17,6 МэВ (мегаэлектронвольт)

Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты дешевы. Недостаток её- выход нежелательной нейтронной радиации.

Два ядра: дейтерия и трития сливаются, с образованием ядра гелия (альфа-частица) и высокоэнергетического нейтрона.

Токамак (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками) — тороидальная установка для магнитного удержания плазмы. Плазма удерживается не стенками камеры, которые не способны выдержать её температуру, а специально создаваемым магнитным полем. Особенностью токамака является использование электрического тока, протекающего через плазму для создания полоидального поля, необходимого для равновесия плазмы.

Реакция дейтерий + гелий-3

Существенно сложнее, на пределе возможного, осуществить реакцию дейтерий + гелий-3

²H + ³He = ⁴He + p. при энергетическом выходе 18,4 МэВ

Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3,кроме того, является редким и чрезвычайно дорогим изотопом. В промышленных масштабах на настоящее время не производится. Однако может быть получен из трития, получаемого в свою очередь на атомных электростанциях.

Сложность проведения термоядерной реакции можно характеризовать тройным произведением nTt (плотность на температуру на время удержания). По этому параметру реакция D-3He примерно в 100 раз сложнее, чем D-T.

Реакция между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо)

Так же возможны реакции между ядрами дейтерия, они идут немного труднее реакции с участием гелия-3:

В результате в дополнение к основной реакции в ДД-плазмы так же происходят :

Эти реакции медленно протекают параллельно с реакцией дейтерий + гелий-3, а образовавшиеся в ходе них тритий и гелий-3 с большой вероятностью немедленно реагируют с дейтерием.

Другие типы реакций

Возможны и некоторые другие типы реакций. Выбор топлива зависит от многих факторов — его доступность и дешевизна, энергетический выход, лёгкость достижения требующихся для реакции термоядерного синтеза условий (в первую очередь, температуры), необходимых конструктивных характеристик реактора и проч.

«Безнейтронные» реакции

Наиболее перспективны т. н. «безнейтронные» реакции, так как порождаемый термоядерным синтезом нейтронный поток (например, в реакции дейтерий-тритий) уносит значительную часть мощности и порождает наведенную радиоактивность в конструкции реактора. Реакция дейтерий- гелий-3 является перспективной в том числе и по причине отсутствия нейтронного выхода.

Условия

Ядерная реакция лития-6 с дейтерием ⁶Li(d,α)α

УТС возможен при одновременном выполнении двух критериев:

• Температура плазмы:

(для реакции D-T)

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

Именно от значения этих двух критериев в основном зависит скорость протекания той или иной термоядерной реакции.

В настоящее время управляемый термоядерный синтез ещё не осуществлён в промышленных масштабах. Строительство международного исследовательского реактора ITER находится в начальной стадии.

Термоядерная энергетика и гелий-3

Запасы гелия-3 на Земле составляют от 500 кг до 1 тонны, однако на Луне он находится в значительном количестве: до 10 млн тонн (по минимальным оценкам — 500 тысяч тонн). В настоящее время контролируемая термоядерная реакция осуществляется путем синтеза дейтерия ²H и трития ³H с выделением гелия-4 ⁴He и «быстрого» нейтрона n:

Однако при этом большая часть (более 80%) выделяемой кинетической энергии приходится именно на нейтрон. В результате столкновений осколков с другими атомами эта энергия преобразуется в тепловую. Помимо этого, быстрые нейтроны создают значительное количество радиоактивных отходов. В отличие от этого синтез дейтерия и гелия-3 ³He не производит (почти) радиоактивных продуктов:

, где p — протон

Это позволяет использовать более простые и эффективные системы преобразования кинетической реакции синтеза, такие, как магнитогидродинамический генератор.

Конструкции реакторов

Рассматриваются две принципиальные схемы осуществления управляемого термоядерного синтеза.

1. Квазистационарные системы (). Нагрев и удержание плазмы осуществляется магнитным полем при относительно низком давлении и высокой температуре. Для этого применяются реакторы в виде токамаков, стеллараторов (торсатронов) и зеркальных ловушек, которые отличаются конфигурацией магнитого поля. Реактор ITER имеет конфигурацию токамака.
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.

Исследования первого вида термоядерных реакторов существенно более развиты, чем второго. В ядерной физике, при исследованиях термоядерного синтеза, для удержания плазмы в некотором объёме используется магнитная ловушка . Магнитная ловушка призвана удерживать плазму от контакта с элементами термоядерного реактора, т.е. используется в первую очередь как теплоизолятор. Принцип удержания основан на взаимодействии заряженных частиц с магнитным полем, а именно на вращении заряженных частиц вокруг силовых линий магнитного поля. К сожалению, замагниченная плазма очень не стабильна и стремится покинуть магнитное поле. Поэтому для создания эффективной магнитной ловушки используются самые сверхмощныме электромагниты, потребляющее огромное количество энергии.

Можно уменьшить размер термоядерного реактора, если в нем использовать одновременно три способа создания термоядерной реакции.

A. Инерционный синтез. Облучать крошечные капсулы дейтериево-тритиевого топлива лазером мощностью 500 триллионов ватт:5. 10^14 Вт. Этот гигантский, очень кратковременный лазерный импульс 10^-8 c приводит к взрыву топливных капсул, в результате чего на доли секунды рождается мини-звезда. Но термоядерной реакции на нем не достигнуть.

B. Одновременно использовать Z-machine с Токамаком.

Z-Машина действует иначе чем лазер. Она пропускает через паутину тончайших проводов, окружающих топливную капсулу, заряд мощностью в полтриллиона ватт 5. 10^11 Вт.

Далее происходит примерно то же самое, что и с лазером: в результате Z-удара получается звезда. В ходе испытаний на Z-Машине уже удалось запустить реакцию синтеза. <ref>http://www.sandia.gov/media/z290.htm</ref>Капсулы покрыть серебром и соединить нитью из серебра или графита. Процесс поджига выглядит так: Выстрелить нитью (прикрепленных к группе шариков из серебра, внутри которых смесь дейтериия и трития) в вакуумную камеру. Образовать при пробое (разряде) канал молнии по ним, подавать ток по плазме. Одновременно облучить капсулы и плазму лазерным излучением. И одновременно или раньше включить Токамак. использовать три процесса нагрева плазмы одновременно. То есть поместить Z-машину и лазерный нагрев вместе внутри Токамака. Может быть можно создать и колебательный контур из катушек Токамака и организовать резонанс. Тогда он работал бы в экономном колебательном режиме.

Цикл топлива

Реакторы первого поколения будут, вероятнее всего, работать на смеси дейтерия и трития. Нейтроны, которые появляются в процессе реакции, поглотятся защитой реактора, а выделяющееся тепло будет использоваться для нагревания теплоносителяя в теплообменнике, и эта энергия, в свою очередь, будет использоваться для вращения генератора.

.

.

Реакция с Li6 является экзотермической, обеспечивая получение небольшой энергии для реактора. Реакция с Li7 является эндотермической- но не потребляет нейтронов. По крайней мере некоторые реакции Li7 необходимы для замены нейтронов потерянных в реакции с другими элементами. Большинство конструкций реактора используют естественные смеси изотопов лития.

Это горючее имеет ряд недостатков:

Реакция продуцирует значительное количество нейтронов, которые активируют (радиоактивно заражают) реактор и теплообменник. Также требуются мероприятия для защиты от возможного истока радиоактивного трития.

Только около 20 % энергии синтеза есть в форме заряженных частиц (остальные нейтроны), что ограничивает возможность прямого превращения энергии синтеза в электроэнергию. Использование D-T реакции зависит от имеющихся запасов лития, которые значительно меньше чем запасы дейтерия. Нейтронное облучение во время D-T реакции настолько значительное, что после первой серии тестов на JET, наибольшем реакторе на сегодняшний день что использует это топливо, реактор стал настолько радиоактивным, что для завершения годового цикла тестов пришлось прибавить роботизованую систему дистанционного обслуживания.

Существуют, в теории, альтернативные виды горючего, которые лишены указанных недостатков. Но их использованию препятствует фундаментальное физическое ограничение. Чтобы получить достаточное количество энергии из реакции синтеза, необходимо удерживать достаточно плотную плазму при температуре синтеза (10⁸ K) на протяжении определенного времени. Этот фундаментальный аспект синтеза описывается произведением густоты плазмы, n, на время содержания нагретой плазмы τ, что требуется для достижения точки равновесия. Произведение, nτ, зависит от типа горючего и является функцией температуры плазмы. Из всех видов горючего дейтерий-тритиевая смесь требует самого низкого значения nτ по меньшей мере на порядок, и самую низкую температуру реакции, по меньшей мере в 5 раз. Таким образом, D-T реакция является необходимым первым шагом, однако использование других видов горючего остается важной целью исследований.

Реакция синтеза в качестве промышленного источника электроэнергии

Энергия синтеза рассматривается многими исследователями в качестве «естественного» источника энергии в долгосрочной перспективе. Сторонники коммерческого использования термоядерных реакторов для производства электроэнергии приводят следующие аргументы в их пользу:

• Практически неисчерпаемые запасы топлива (водород)
• Топливо можно добывать из морской воды на любом побережье мира, что делает невозможным монополизацию горючего одной или группой стран
• Невозможность неуправляемой реакции синтеза
• Отсутствие продуктов сгорания
• Нет необходимости использовать материалы которые могут быть использованы для производства ядерного оружия, таким образом исключается случаи саботажа и терроризма
• По сравнению с ядерными реакторами, вырабатывается незначительное количество радиоактивных отходов с коротким периодом полураспада.
• Оценивают, что наперсток, наполненный дейтерием, производит энергию, эквивалентную 20 тоннам угля. Озеро среднего размера в состоянии обеспечить любую страну энергией на сотни лет. Однако следует заметить, что существующие исследовательские реакторы спроектированы для достижения прямой дейтериево-тритиевой (DT) реакции, цикл топлива которой требует использования лития для производства трития, тогда как заявления о неисчерпаемости энергии касаются использования дейтериево-дейтериевой (DD) реакции во втором поколении реакторов.
• Так же, как и реакция деления, реакция синтеза не производит атмосферных выбросов углекислоты, что является главным вкладом в глобальное потепление. Это является значительным преимуществом, поскольку использование горючих ископаемых для производства электроэнергии имеет своим следствием то, что, например в США производится 29 кг CO₂ (один из основных газов, которые могут считаться причиной глобального потепления) на жителя США в день.

Стоимость электроэнергии в сравнении с традиционными источниками

Критики указывают, что вопрос о экономической целесообразности использования ядерного синтеза для производства электроэнергии остается открытым. В том же исследовании ^[1] по заказу Офиса в Справах Науки и Техники Британского Парламента указывается, что себестоимость производства электроэнергии с использованием термоядерного реактора будет, вероятно, в верхней части спектра стоимости традиционных источников энергии. Много будет зависеть от будущей технологии, структуры и регулирования рынка. Стоимость электроэнергии напрямую зависит от эффективности использования, продолжительности эксплуатирования и стоимости декомиссии реактора. Критики коммерческого использования энергии ядерного синтеза отрицают, что углеводородное топливо в значительной мере субсидируется правительством, как прямо так и косвенно, например использованием вооруженных сил для обеспечения их бесперебойного снабжения, война в Ираке часто приводится как неоднозначный пример такого способа субсидирования. Учет таких косвенных субсидий является очень сложным, и делает точное сравнение себестоимости практически невозможным.

Отдельно стоит вопрос стоимости исследований. Страны Европейского Сообщества тратят около 200 млн € ежегодно на исследования, и прогнозируется, что нужно еще несколько десятилетий пока промышленное использование ядерного синтеза станет возможным. Сторонники альтернативных источников электроэнергии считают, что было бы целесообразнее направить эти средства на внедрение возобновляемых источников электроэнергии.

Доступность коммерческой энергии ядерного синтеза

К сожалению, невзирая на распространенный оптимизм (распространенный начиная с 1950-х годов, когда первые исследования начались), существенные препятствия между сегодняшним пониманием процессов ядерного синтеза, технологическими возможностями и практическим использованием ядерного синтеза до сих пор не преодолены, неясным является даже насколько может быть экономически выгодно производство электроэнергии с использованием термоядерного синтеза. Хотя прогресс в исследованиях является постоянным, исследователи то и дело сталкиваются с новыми проблемами. Например, проблемой является разработка материала, способного выдержать нейтронную бомбардировку, что, как оценивается, должно быть в 100 раз интенсивнее чем в традиционных ядерных реакторах.

Различают следующие этапы в исследованиях:

1.Равновесие или режим «перевала» (Break-even): когда общая энергия что выделяется в процессе синтеза равняется общей энергии тратящей на запуск и поддержку реакции. Это соотношение помечают символом Q. Равновесие реакции было продемонстрировано на JET (Joint European Torus) в Великобритании в 1997 году. (Затратив на его разогрев 52 МВт электроэнергии, на выходе ученые получили мощность на 0,2 МВт выше затраченной.)

2.Пылающая плазма (Burning Plasma): промежуточный этап, на котором реакция будет поддерживаться главным образом альфа-частицами, что продуцируются в процессе реакции, а не внешним подогревом. Q ≈ 5. До сих пор не достигнутый.

3. Воспламенение (Ignition): стабильная реакция что поддерживает саму себя. Должна достигаться при больших значениях Q. До сих пор не достигнуто.

Следующим шагом в исследованиях должен стать ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), Международный Термоядерный Экспериментальный Реактор. На этом реакторе планируется провести исследование поведения высокотемпературной плазмы (пылающая плазма с Q ~ 30) и конструктивных материалов для промышленного реактора. Окончательной фазой исследований станет DEMO: прототип промышленного реактора, на котором будет достигнуто воспламенение, и продемонстрирована практическая пригодность новых материалов. Самые оптимистичные прогнозы завершения фазы DEMO: 30 лет. Учитывая ориентировочное время на построение и введение в эксплуатацию промышленного реактора, нас отделяет ~40 лет от промышленного использования термоядерной энергии.

Существующие токамаки

Всего в мире было построено около 300 токамаков. Ниже перечислены наиболее крупные из них.

• СССР и Россия
  • Т-3 — первый функциональный аппарат.
  • Т-4 — увеличенный вариант Т-3
  • Т-7 — уникальная установка, в которой впервые в мире реализована относительно крупная магнитная система со сверхпроводящим соленоидом на базе ниобата олова, охлаждаемого жидким гелием. Главная задача Т-7 была выполнена: подготовлена перспектива для следующего поколения сверхпроводящих соленоидов термоядерной энергетики.
  • Т-10 и PLT — следующий шаг в мировых термоядерных исследованиях, они почти одинакового размера, равной мощности, с одинаковым фактором удержания. И полученные результаты идентичны: на обоих реакторах достигнута заветная температура термоядерного синтеза, а отставание по критерию Лоусона — всего в двести раз.
  • Т-15 — реактор сегодняшнего дня со сверхпроводящим соленоидом, дающим поле напряжённостью 3,6 Тл.
• Ливия
• Европа и Великобритания
  • JET(англ.) (Joint Europeus Tor) — самый крупный в мире токамак, созданный организацией Евратом в Великобритании. В нём использован комбинированный нагрев: 20 МВт — нейтральная инжекция, 32 МВт — ионно-циклотронный резонанс. В итоге критерий Лоусона лишь в 4—5 раз ниже уровня зажигания.
  • Tore Supra(фр.) [1](англ.) — токамак со сверхпроводящими катушками, один из крупнейших в мире. Находится в исследовательском центре Кадараш (Франция).
• США
  • TFTR(англ.) (Test Fusion Tokamak Reactor) — крупнейший токамак США (в Принстонском университете) с дополнительным нагревом быстрыми нейтральными частицами. Достигнут высокий результат: критерий Лоусона при истинно термоядерной температуре всего в 5,5 раза ниже порога зажигания. Закрыт в 1997 г.
  • NSTX (англ.) (National Spherical Torus Experiment) — сферический токамак (сферомак) работающий в настоящее время в Принстонском университете. Первая плазма в реакторе получена в 1999 году, через два года после закрытия TFTR.
  • Alcator C-Mod(англ.) — один из трех крупнейших токамаков в США (два других — NSTX и DIII-D), Alcator C-Mod характеризуется самым высоким магнитным полем и давлением плазмы в мире. Работает с 1993 г.
  • DIII-D (англ.) — токамак США, созданный и работающий в компании General Atomic в San Diego.

• Япония
  • JT-60 (англ.) — крупнейший Японский токамак работающий в Японском Институте Ядерных Исследований (japan Atomic Energy Research Institute) с 1985 г.

• Китай
  • EAST (англ.) – Экспериментальный усовершенствованный сверхпроводимый токамак (Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST). Является глубокой модернизацией Российского токамака HT-7. Работает в рамках международного проекта ITER. Первые успешные испытания были проведены летом 2006 года. Принадлежит “Институту физики плазмы Китайской академии наук ( Institute of Plasma Physics under the Chinese Academy of Sciences (CAS))”. Расположен в городе Хэфэй, провинции Аньхуй. На этом реакторе в 2007 году был проведён первый в мире “безубыточный” термоядерный синтез, с точки зрения соотношения затраченной/полученной энергии. На данный момент это соотношение состовляет 1:1,25. В ближайшем будущем планируется довести это соотношение до 1:50.

Ссылки

См. также

Примечания

Wikimedia Foundation. 2010.

Nuclear Fusion

Индекс

Большое количество энергии выделяется в результате реакций ядерного синтеза. Кажется, что для выработки энергии реакция дейтерий-тритий является наиболее практичной, но она обеспечивает большую часть энергии для высвобождаемого нейтрона. Это проблематично, потому что сложнее извлечь энергию из нейтронов по сравнению с заряженными частицами. Слияние дейтерий-дейтерий распределяет свою выходную энергию между нейтронами и протонами. Фракция протона взаимодействует электромагнитной силой со средой и очень быстро преобразует свою кинетическую энергию в тепловую энергию. Практично исследовать кинетические энергии продуктов ядерного синтеза в системе отсчета центра масс. Это равносильно пренебрежению кинетической энергией реагирующих частиц перед термоядерным синтезом, что оправдывается тем фактом, что эти энергии обычно находятся в диапазоне 1-10 кэВ, а выход термоядерного синтеза находится в диапазоне МэВ. В кадре CM энергии составляющих a и b с точки зрения энерговыделения Q: Величины импульсов в этом кадре равны: Объединение этих двух уравнений дает: Это позволяет нам определить относительные величины энергий двух продуктов синтеза: Для D-D-синтеза меньшая частица несет 75% энергии. С м (He 3 ) = 2,8084 ГэВ / с 2 , м (H 3 ) = 2,80 ГэВ / с 2 , м (н) = 0,9396 ГэВ / с 2 , и м (p) = 0,9383 ГэВ / с 2 , показаны энергии продуктов для синтеза дейтерий-дейтерий. С общим выходом 3,27 ГэВ для нейтронной реакции нейтрон несет 74,93% от выхода. Для протонной реакции с выходом 4,03 МэВ протон несет 74,96%. Для D-T синтеза, более мелкая частица несет 80% энергии. При m (He 4 ) = 3,7274 ГэВ / с 2 и m (n) = 0,9396 ГэВ / с 2 показаны энергии продуктов для синтеза дейтерий-тритий. С общим выходом 17,59 МэВ для этой реакции нейтрон несет 79,87% выхода.

Концепции Fusion Ссылки: Крейн, сек. 14.2

.

Ядерный синтез – Energy Education

Рисунок 1. Изображение, показывающее один тип реакции синтеза, а именно, синтез дейтерия с тритием. ^[1]

Ядерный синтез – это тип ядерной реакции, когда два легких ядра сталкиваются друг с другом, образуя одно более тяжелое ядро. Слияние приводит к выделению энергии, потому что масса нового ядра меньше, чем сумма исходных масс. Основываясь на принципе эквивалентности массы и энергии, эта разница в массе означает, что некоторая масса, которая была «потеряна», была преобразована в энергию. ^[2] Для элементов, которые легче железа, сплав часто выделяет энергию. Для элементов более тяжелых, чем железо, требуется энергия, чтобы вызвать синтез. Чтобы сделать элементы более тяжелыми, чем железо, требуется либо пучок частиц высокой энергии, либо сверхновая.

Несмотря на то, что при слиянии мелких атомов выделяется лота энергии, для запуска этого процесса требуется значительное количество энергии. Эта энергия необходима для преодоления кулоновского отталкивания, которое существует между протонами двух разных ядер.Атомы водорода должны быть сближены достаточно близко, чтобы сильная ядерная сила могла преодолеть кулоновское отталкивание. Необходимая начальная энергия является основным фактором, который затрудняет достижение синтеза. ^[2]

типов реакций синтеза

Существует несколько различных типов реакций синтеза, но в большинстве из них используются два изотопа водорода, известные как дейтерий и тритий. Некоторые реакции синтеза включают: ^[3]

• Протон-протонная цепь : Этот тип реакции синтеза происходит на Солнце.Две пары протонов (две пары атомов водорода) сталкиваются и становятся двумя атомами дейтерия. Каждый их дейтерий снова объединяется с протоном (водородом) с образованием гелия-3, который снова объединяется и в конечном итоге образует гелий-4.

• Дейтерий-дейтериевые реакции : пара атомов дейтерия образует гелий-3 и нейтрон.

• Дейтерий-тритиумные реакции : для этого один атом дейтерия соединяется с одним атомом трития с образованием гелия-4 и нейтрона.Большая часть энергии, выделяемой здесь, находится в форме нейтрона высокой энергии. Этот процесс показан на рисунке 1, а анимация показана на рисунке 2.

Рисунок 1. Анимация, показывающая синтез дейтерия с тритием. ^[4]

Использование в производстве энергии

В настоящее время не существует крупномасштабного термоядерного реактора, который мог бы обеспечить электроэнергию для коммерческого использования. Это потому, что ученым было трудно создать контролируемый, неразрушающий способ использования энергии, выделяющейся во время синтеза. ^[3] Процесс синтеза трудно контролировать в основном из-за экстремальных условий, необходимых для протекания реакций.

Во-первых, для термоядерного синтеза необходимы обе чрезвычайно высокие температуры, чтобы дать атомам водорода достаточно энергии для преодоления отталкивания между протонами. Энергия от микроволн или лазеров должна использоваться для нагрева атомов водорода до необходимой температуры. При этих температурах водород является плазмой, и эта плазма должна содержаться в достаточном количестве для продолжения синтеза и обеспечения безопасности. ^[3] Во-вторых, необходимы высокие давления, чтобы сжать атомы водорода достаточно близко, чтобы сплавляться. Этот процесс осуществляется с помощью интенсивных магнитных полей, лазеров или ионных пучков. ^[3]

Для потенциальных ядерных источников энергии реакция синтеза дейтерий-тритий наиболее вероятна, потому что условия менее экстремальные. ^[2]

В настоящее время наибольшее усилие по термоядерному синтезу – это международный термоядерный экспериментальный реактор или ITER во Франции. Этот реактор был построен в 2013 году и использует метод удержания, известный как Токамак.Этот Токамак обеспечивает способ магнитного удержания горячей плазмы, необходимой для термоядерного синтеза. Ожидается, что экспериментальная фаза ITER начнется в 2027 году. ^[5] Для получения дополнительной информации об этом проекте, нажмите здесь.

для дальнейшего чтения

Рекомендации

,

дейтерия | Определение, символ, производство и факты

Дейтерий , (D, или ² H), также называется тяжелый водород , изотоп водорода с ядром, состоящим из одного протона и одного нейтрона, который удваивает массу ядра обычного водорода (один протон). Дейтерий имеет атомный вес 2,014. Это стабильные атомные частицы, встречающиеся в природных соединениях водорода в количестве около 0,0156%.

Подробнее на эту тему

водород: изотопы водорода

… Юри и два сотрудника обнаружили дейтерий по его атомному спектру в остатке от перегонки жидкого водорода. Дейтерий …

Дейтерий был открыт (1931) американским химиком Гарольдом К. Юри (за что он был удостоен Нобелевской премии по химии в 1934 г.) и его коллегами Фердинандом Г. Брикведде и Джорджем М. Мерфи. Юри предсказал разницу между давлениями пара молекулярного водорода (H ₂ ) и соответствующей молекулы с одним атомом водорода, замененным дейтерием (HD), и, таким образом, возможность разделения этих веществ путем отгонки жидкого водорода.Дейтерий был обнаружен (по атомному спектру) в остатке от перегонки жидкого водорода. Дейтерий был впервые приготовлен в чистом виде в 1933 году Гилбертом Н. Льюисом с использованием электролитического метода концентрации, открытого Эдвардом Уайтом Уошберном. Когда вода подвергается электролизу, то есть разлагается электрическим током (фактически используется водный раствор электролита, обычно гидроксида натрия), получаемый газообразный водород содержит меньшую долю дейтерия, чем оставшаяся вода, и, следовательно, дейтерий сосредоточены в воде.Очень почти чистый оксид дейтерия (D ₂ O; тяжелая вода) выделяется, когда количество воды было уменьшено до примерно ста тысячных от его первоначального объема в результате продолжающегося электролиза.

Дейтерий вступает во все химические реакции, характерные для обычного водорода, образуя эквивалентные соединения. Дейтерий, однако, реагирует медленнее, чем обычный водород, критерий, который различает две формы водорода. Благодаря этому свойству, среди прочего, дейтерий широко используется в качестве изотопного индикатора в исследованиях химических и биохимических реакций с участием водорода.

Ядерный синтез атомов дейтерия или дейтерия и более тяжелого изотопа водорода, трития, при высокой температуре сопровождается выделением огромного количества энергии; такие реакции были использованы в термоядерном оружии. С 1953 года вместо дейтерия и трития используется стабильное твердое вещество дейтерий лития (LiD).

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 года с вашей подпиской. Подпишитесь сегодня

Физические свойства молекулярной формы изотопа дейтерия (D ₂ ) и молекул дейтерида водорода (HD) сравниваются со свойствами молекул обычного водорода (H ₂ ) в таблице.

Сравнение физических свойств молекулярных форм водорода

	обычный водород	дейтерида водорода	дейтерий
* В 20,39 К.
** В 22,54 К.
*** В 23,67 К.
грамм молекулярного объема твердого вещества в тройной точке (куб. См)	23,25	21,84	20.48
тройная точка (K)	13,96	16.60	18,73
давление пара в тройной точке (мм рт. Ст.)	54,0	92,8	128,6
точка кипения (К)	20,39	22,13	23,67
теплота плавления в тройной точке (кал / моль)	28,0	38,1	17,0
теплота испарения (кал / моль)	216 *	257 **	293 ***

,

тритий | химический изотоп | Britannica

Тритий , (T, или ³ H), изотоп водорода с атомным весом около 3. Его ядро, состоящее из одного протона и двух нейтронов, имеет тройную массу ядра обычного водорода. Тритий – радиоактивный вид, период полураспада которого составляет 12,32 года; это происходит в природной воде с избытком 10 ^{-1818000 из этого природного водорода. Тритий был открыт в 1934 году физиками Эрнестом Резерфордом, М.Л. Олифант и Пол Хартек, которые бомбардировали дейтерий (D, изотоп водорода с массой 2) высокоэнергетическими дейтронами (ядрами атомов дейтерия) в соответствии с уравнением D + D → H + T. Уиллард Франк Либби и Аристид В. Гросс показал, что в природной воде присутствует тритий, вероятно, вызванный воздействием космических лучей на атмосферный азот.}

Подробнее на эту тему

водород: изотопы водорода

Тритий (T) был впервые получен в 1935 году путем бомбардировки дейтерием (в форме дейтерофосфорной кислоты) с высокой энергией…

Тритий образуется наиболее эффективно в результате ядерной реакции между литием-6 ( ⁶ Li) и нейтронами из ядерных реакторов деления в соответствии с уравнением ⁶ Li + ¹ n → ⁴ He + T

Хотя тритий реагирует с другими веществами аналогично обычному водороду, большая разница в их массе иногда вызывает заметные различия в химических свойствах соединений. Таким образом, тритий используется реже, чем дейтерий, как изотопный индикатор химических реакций.Ядерные реакции между дейтерием и тритием использовались в качестве источника энергии для термоядерного оружия.

.