Термоядерные реакции солнца доклад

Что такое термоядерная реакция?

Термоядерная реакция – это ядерная реакция между легкими атомными ядрами, протекающая при очень высокой температуре (выше 10 8 К). При этом образуется большое количество энергии в виде нейтронов с высоким энергетическим показателем и фотонов – частиц света.

Высокие температуры, а следовательно, и большие энергии ядер, которые сталкиваются, необходимы для преодоления электростатического барьера. Этот барьер обусловлен взаимным отталкиванием ядер (как одноименно заряженных частиц). Иначе они не смогли бы сблизиться на расстояние, достаточное для действия ядерных сил (а это примерно 10-12 см).

Термоядерная реакция представляет собой процесс образования ядер, которые сильно связаны между собой, из более рыхлых. Почти все подобные реакции относятся к реакциям слияния (синтеза) более легких ядер в тяжелые.

Кинетическая энергия, необходимая для преодоления взаимного отталкивания, должна увеличиваться по мере увеличения заряда ядра. Поэтому легче всего проходит синтез легких ядер, обладающих малым электрическим зарядом.

В природе термоядерная реакция может протекать лишь в недрах звезд. Для ее осуществления в земных условиях необходимо разогреть вещество одним из возможных способов:

• ядерным взрывом;
• бомбардировкой интенсивным пучком частиц;
• мощным импульсом лазерного излучения или газовым разрядом.

Термоядерная реакция, которая идет в недрах звезд, играет архиважную роль в эволюции Вселенной. Во-первых, из водорода в звездах образуются ядра будущих химических элементов, а во-вторых, это энергетический источник звезд.

Термоядерные реакции на Солнце

На Солнце в качестве основного источника энергии выступают реакции протон-протонного цикла, когда из четырех протонов рождается одно ядро гелия. Энергия, которая выделяется в процессе синтеза, уносится образующими ядрами, нейтронами, нейтрино и квантами электромагнитного излучения. Изучая идущий от Солнца поток нейтрино, ученые могуть установить, природу и интеснивность ядерных реакций , которые происходят в его центре.

Средняя интенсивность энерговыделения Солнца по земным меркам ничтожна – всего 2 эрг/с*г (на 1 грамм солнечной массы). Эта величина гораздо меньше, чем скорость электровыделения в живом организме в процессе стандартного обмена веществ. И только благодаря огромной массе Солнца (2*1033 г) общий объем излучаемой им мощности составляет такую гигантскую величину, как 4*1028 Вт.

Благодаря огромным размерам и массе Солнца и остальных звезд, проблема удержания и термоизоляции плазмы решается в них идеально: реакции протекают в горячем ядре, а теплоотдача происходит с более холодной поверхности. Только поэтому звезды могут настолько эффективно производить энергию в столь медленных процессах, как протон-протонных цикл. В земных условиях такие реакции практически неосуществимы.

Термоядерная энергетика — основа будущего

На нашей планете есть смысл применять и использовать только наиболее эффективные из термоядерных реакций – прежде всего синтез гелия из ядер лейтерия и трития. Подобные реакции в сравнительно крупных масштабах осуществимы пока только в испытательных взрывах водородных бомб. Тем не менее, постоянно ведутся все новые разработки с целью эффективного получения мирной электроэнергии. Традиционная атомная энергетика использует реакцию распада, а в термоядерной энергетике задействован синтез. При этом термоядерная реакция имеет ряд неоспоримых преимуществ перед реакцией ядерного распада.

1. При термоядерных реакциях есть возможность избежать выделения радиоактивного излучения, поскольку энергетическим продуктом в данном случае является «чистая» энергия света.

2. По количеству получаемой энергии термоядерные процессы намного обгоняют традиционные атомные реакции, которые используются в современных реакторах.

3. Чтобы поддерживать реакцию ядерного распада, необходим постоянный контроль потока нейтронов, иначе может последовать неуправляемая цепная реакция, опасная для человечества. Для получения термоядерной энергии вместо потока нейтронов используется высокая температура, поэтому подобные риски исчезают.

4. Топливо для термоядерных реакций безвредно, в отличие от продуктов распада топлива ядерных реакторов.

Не так давно американские ученые сумели создать рабочую модель термоядерной реакции, в которой энергоотдача в сто раз превышает энергозатраты. Это является хорошей заявкой на дальнейшее успешное «приручение» термоядерной энергетики.

Источник

Какая термоядерная реакция происходит на Солнце?

Известно, что тепло вырабатывается на Солнце вследствие ядерных реакций. В чем суть этих загадочных процессов?

Большая часть привычного нам вещества состоит из молекул и атомов, например, из атомов железа или кислорода. В ходе химических реакций атомы элементов перестраиваются в новые молекулы, но сами не меняются. Долгое время считалось, что получить из атомов одного элемента атомы другого элемента (скажем, из свинца золото) невозможно. Однако в конце XIX в. были открыты ядерные реакции, в ходе которых изменяются сами атомы.

На Солнце происходят термоядерные реакции. Основной из них является протон-протонный цикл. Его суть заключается в том, что из водорода получается гелий. Сначала два протона (а протон – это название ядра водорода) сливаются друг с другом и образуют дейтрон – ядро дейтерия, одного из изотопов водорода. Далее дейтрон сталкивается ещё с одним протоном, в результате возникает изотоп гелий-3. Наконец, два ядра гелия-3 также сливаются, что приводит к образованию гелия-4 и освобождению 2 протонов. Получается, что в ходе цикла этих реакций из 4 протонов получается 1 ядро гелия-4, при этом выделяется некоторое количество энергии.

На протон-протонный цикл приходится 98% энергии, выделяемой на Солнце. В ходе других реакций из гелия получается углерод, из углерода – неон и магний, из неона – аргон и кальций и т.д. Таким образом, в звезде «по цепочке» из водорода образуется огромное количество разнообразных элементов. Этот процесс называют звездным нуклеосинтезом. Изначально, после Большого взрыва, во Вселенной не было никаких других элементов, кроме водорода, гелия и небольшого количества лития. Именно благодаря звездному нуклеосинтезу мы живем в мире, где есть железо, золото, серебро, кислород и ещё порядка 100 элементов таблицы Менделеева.

Для термоядерных реакций нужны особые условия. Дело в том, что протоны обладают положительным зарядом, поэтому они отталкиваются друг от друга. Ядра водорода должны обладать огромной скоростью, чтобы они смогли столкнуться, несмотря на противодействие электростатических сил. Скорость же элементарных частиц тем выше, чем выше температура вещества и его плотность. В ядре температура достигает 15 млн °С, а давление составляет 340 млрд атмосфер. Этого как раз достаточно для термоядерных реакций. Во внешних же слоях Солнца термоядерные реакции не идут, хотя там тоже весьма жарко.

В ходе термоядерных реакций Солнце каждую секунду «сжигает» более 4 млн тонн водорода. Через 5 млрд лет он почти закончится, что приведет к резкому расширению Солнца и его последующему угасанию.

Список использованных источников

Источник

Термоядерные реакции на Солнце

3. Термоядерные реакции на Солнце

В 1935 году Ханс Бете выдвинул гипотезу, что источником солнечной энергии может быть термоядерная реакция превращения водорода в гелий. Именно за это Бете получил Нобелевскую премию в 1967 году. Химический состав Солнца примерно такой же, как и у большинства других звезд. Примерно 75 % – это водород, 25 % – гелий и менее 1 % – все другие химические элементы (в основном, углерод, кислород, азот и т.д.). Сразу после рождения Вселенной «тяжелых» элементов не было совсем. Все они, т.е. элементы тяжелее гелия и даже многие альфа-частицы, образовались в ходе «горения» водорода в звездах при термоядерном синтезе. Характерное время жизни звезды типа Солнца десять миллиардов лет. Основной источник энергии – протон-протонный цикл – очень медленная реакция (характерное время 7,9•109 лет), так как обусловлена слабым взаимодействием. Каждую секунду Солнце перерабатывает около 600 миллионов тонн водорода. Запасов ядерного топлива хватит еще на пять миллиардов лет, после чего оно постепенно превратится в белый карлик.

4. Фотосфера Солнца

Наблюдаемое излучение Солнца возникает в его тонком внешнем слое, который называется фотосферой. Толщина этого слоя 0,001R = 700 км. В фотосфере образуется видимое излучение Солнца, имеющее непрерывный спектр. «Видимая» поверхность Солнца определяется той глубиной в атмосфере, ниже которой она практически непрозрачна. Солнце – газовый шар, не имеющий четких границ. Однако мы видим его резко очерченным потому, что практически все излучение Солнца исходит из фотосферы. Видимый нами свет излучается отрицательными ионами водорода. Они же его и поглощают, поэтому с глубиной фотосфера быстро теряет прозрачность. На поверхности Солнца можно разглядеть много деталей. Вся фотосфера Солнца состоит из светлых зернышек, пузырьков. Эти зернышки называются гранулами. Размеры гранул невелики, 1000–2000 км (около 1″ дуги), расстояние между ними – 300–600 км. На Солнце наблюдается одновременно около миллиона гранул. Каждая гранула существует несколько минут. Гранулы окружены темными промежутками, как бы сотами. В гранулах вещество поднимается, а вокруг них – опускается. Грануляция – проявление конвекции в более глубоких слоях Солнца. Гранулы создают общий фон, на котором можно наблюдать несравненно более масштабные образования, такие, как протуберанцы, факелы, солнечные пятна и др.

5. Хромосфера Солнца

Хромосфера Солнца видна только в моменты полных солнечных затмений. Луна полностью закрывает фотосферу, и хромосфера вспыхивает, как небольшое кольцо ярко-красного цвета, окруженное жемчужно-белой короной. Размеры хромосферы 10–15 тысяч километров, а плотность вещества в сотни тысяч раз меньше, чем в фотосфере. Температура в хромосфере быстро растет, достигая в верхних ее слоях десятков тысяч градусов. Рост температуры объясняется воздействием магнитных полей и волн, проникающих в хромосферу из зоны конвективных движений. На краю хромосферы наблюдаются выступающие язычки пламени – хромосферные спикулы, представляющие собою вытянутые столбики из уплотненного газа. Температура этих струй выше, чем температура фотосферы. Во время полного солнечного затмения можно получить спектр хромосферы, который называется спектр вспышки. Он состоит из ярких эмиссионных линий водорода бальмеровской серии, гелия, ионизированного кальция и других элементов, которые внезапно вспыхивают во время полной фазы затмения.

6. Солнечная корона

Самая внешняя, самая разреженная и самая горячая часть солнечной атмосферы – корона. Она прослеживается от солнечного лимба до расстояний в десятки солнечных радиусов. Несмотря на сильное гравитационное поле Солнца, это возможно благодаря огромным скоростям движения частиц, составляющих корону. Корона имеет температуру около миллиона градусов и состоит из высокоионизированного газа. Возможно, причиной такой высокой температуры являются поверхностные выбросы солнечного вещества в виде петель и арок. Миллионы колоссальных фонтанов переносят в корону вещество, нагретое в глубинных слоях Солнца. Яркость короны в миллионы раз меньше, чем фотосферы, поэтому корону можно видеть только во время полного солнечного затмения, либо с помощью коронографа. Наиболее яркую ее часть принято называть внутренней короной. Она удалена от поверхности Солнца на расстояние не более одного радиуса. Внешняя корона Солнца имеет протяженные границы. Важной особенностью короны является ее лучистая структура. Корональные лучи имеют самую разнообразную форму. С одиннадцатилетним циклом Солнца меняется общий вид солнечной короны. В эпоху минимума корона имеет округлую форму, она как бы «причесана». В эпоху максимума корональные лучи раскинуты во все стороны.

7. Вспышки, протуберанцы и корональные арки

Часто, особенно когда на Солнце имеются большие группы пятен, в хромосфере возникают вспышки. Причины вспышек пока еще плохо изучены; по-видимому, они вызываются резким изменением магнитного поля в хромосфере. Энергия вспышки выделяется в вершине корональной петли, затем распространяется в сторону фотосферы, вызывая нагрев и испарение более холодных слоев. При этом излучение резко возрастает не только в видимой области спектра, но и в ультрафиолете, и в рентгеновской области спектра, увеличивается поток космических лучей. Вспышки вызывают изменения в магнитном поле Земли и могут даже повредить системы электроснабжения. Другим проявлением солнечной активности является появление плазменных образований в магнитном поле солнечной атмосферы – волокон. Если эти волокна видны на краю Солнца, то они наблюдаются как протуберанцы. Протуберанцами называются огромные образования в короне Солнца. Плотность и температура протуберанцев такая же, как и вещества хромосферы, но на фоне горячей короны протуберанцы – холодные и плотные образования. Температура протуберанцев около 20 000 К. Некоторые из них существуют в короне несколько месяцев, другие, появляющиеся рядом с пятнами, быстро движутся со скоростями около 100 км/с и существуют несколько недель. Отдельные протуберанцы движутся с еще большими скоростями и внезапно взрываются; они называются эруптивными.

Источник

Энергия Солнца за счет термоядерных реакций

Термоядерная реакция происходит когда из более лёгких элементов образуются тяжелые. Это явление может произойти только при высоком давлении и температуре как на Солнце.

Много было гипотез появления энергии от солнца начиная от бомбардировки метеоритами, сжатия элементов до распада тяжелых элементов как при ядерном делении.

Самая верная оказалась гипотеза высказанная в 1935 году американским астрофизиком Ханс Альбрехт Бете: источником солнечной энергии может быть термоядерные реакции на Солнце превращения водорода в гелий. За это Бете получил Нобелевскую премию в 1967 году.

Солнце – совершенный термоядерный реактор

В последнее время ученые всего мира пытаются получить термоядерную энергию, которая будет в производстве более эффективна, чем ядерная реакция. Такой термоядерный реактор мог бы соединять легкие ядра в более тяжелые, приблизительно также, как это происходит на Солнце. На разработку этого проекта затрачиваются огромные средства.

В то же время в природе существует уже пять миллиардов лет совершенный термоядерный реактор – Солнце.

В ядре звезды в том числе и как наше Солнце происходит огромное количество реакций. Во время каждой реакции количество частиц понижается. Это вызывает понижение давления в ядре звезды, так как давление пропорционально количеству частиц. Внешняя оболочка звезды сдавливает гелиевое ядро, которое нагревается, подобно тому, как нагревается сдавливаемый воздух в воздушном насосе. Но в то время, как тепло возникает за счет энергии наших мускулов, тепло в ядре звезды возникает за счет гравитационной энергии.

Горячее ядро нагревает слой водорода, покрывающий его. При температуре свыше 7 миллионов градусов по Кельвину водород начинает превращаться в гелий.

На этом этапе звезда, обладает двумя источниками энергии: энергией гравитационного сжатия выгоревшего гелиевого ядра и термоядерных реакций в слое, окружающем ядро.
У звезды с двумя источниками энергии повышается ее светимость. В то время как ядро звезды вследствие сил гравитации сжимается, горение водорода на поверхности звезды в процессе расширения охлаждается (приобретает красный цвет).
Нагревание гелия в ядре красного гиганта продолжается до тех пор, пока температура не достигнет ста миллионов градусов. При этой температуре альфа-частицы сталкиваются с такой скоростью, что преодолевают силу взаимного электрического отталкивания и вследствие этого могут приблизиться на расстояние 1 ферми (1 ферми 1×10 −15 м) . Между альфа-частицами начинает действовать мощная ядерная сила, которая соединяет их в более сложное атомное ядро.

Характеристики превращения

Считается, что термоядерные реакции на солнце совершенные по следующим причинам:

1. Превращение водорода в гелий является наиболее эффективным способом освобождения энергии в Солнечной системе. Никакая другая ядерная или химическая реакция не способна освободить из вещества столько ресурсов, сколько освобождается их в недрах Солнца в результате превращения водорода в гелий.
2. Самый безопасный реактор, поскольку не может взорваться, обладая столь совершенной системой управления своих внутренних процессов. Всякий рискованный перегрев вызывает расширение и моментальное охлаждение. Температура поверхности Солнца относительно стабильна.
3. Почти вечный источник. Ведь процесс освобождения энергии в нем будет продолжаться еще по крайней мере десять миллиардов лет.
4. Звезда поставляет на нашу планету беспрерывно громадное количество теплоты (180 000 ТВт), намного больше того количества, которое человечество способно употребить. Парадоксально звучат слова об энергетическом кризисе, в то время как Солнце предлагает нам в 20 000 раз больше, чем нужно всем обитателям Земли вместе взятым.
5. Энергия, которую дает нам Солнце, абсолютно чистая. Она не загрязняет окружающую среду ни в химическом, ни в радиоактивном отношении.
6. Солнце за счет термоядерной реакции тепло дает даром.
7. Оно настолько далеко, что никто не может злонамеренно использовать его в целях уничтожения жизни на нашей планете.
8. Совершенный солнечный термоядерный реактор служит исключительно в мирных целях, для пользы всего живого на Земле. В руках человека ядерная энергия превратилась в орудие страдания и смерти (Хиросима и Нагасаки).
9. Солнечная энергия, поступающая к нам в виде фотонов, высококачественна. Ее можно легко преобразовывать в любой другой вид необходимый в быту, промышленности, транспорте, сельском хозяйстве. Солнечное излучение можно превращать прямым или косвенным путём в другие виды энергии: электрическую, химическую , тепловую, механическую. Отрасль энергетики, занимающаяся использованием солнечной энергии, называется гелиоэнергетикой. Во многих странах мира функционируют самые разные гелиоустановки.

Источник