Внутри солнца ядерная энергия

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

Как образуется солнечная энергия

Солнечная система > Солнце > Как образуется солнечная энергия

Как производится солнечная энергия? Солнечная энергия появляется в результате превращения водорода в гелий путем реакции ядерного синтеза в центральной части нашей звезды. Это означает, что имеющиеся в ядре в огромном количестве атомы водорода максимально сближаются и затем сливаются в атомы гелия. Полученная энергия Солнца затем излучается из ядра и передается в межзвездное пространство Солнечной системы. Конечно, это не исчерпывающий ответ на вопрос, поэтому ниже более подробно описано, как именно энергия передается от ядра Солнца к Земле и другим объектам в Солнечной системе.

Процесс ядерного синтеза в ядре Солнца

Ядро Солнца простирается от центра звезды до четверти ее радиуса. Оно имеет плотность около 150 г/см3, а температура его вещества близка к 13 600 000 К. Энергия, производимая в результате ядерного синтеза, получается в ходе серии протон-протонных циклов превращения водорода в гелий. Ядро является единственной частью Солнца, которая производит значительное количество энергии посредством синтеза (почти 99%).

Остальная часть звезды нагревается солнечной энергией, которая передается из центра. Прежде чем уйти в космическое пространство в виде кинетической энергии (в данном случае, в виде солнечных лучей), энергия проходит через множество слоев к солнечной фотосфере. Протон-протонные циклы происходят около 9,2 × 10 37 раз в секунду. Реакция превращения водорода в гелий высвобождает около 0,7% синтезированной массы в виде энергии, и это составляет около 4,26 млн тонн в секунду.

Следующая зона – зона излучения Солнца. Здесь плазма достаточно плотная и горячая, чтобы тепловое излучение могло передаваться от слоя к слою, и тепловая конвекция отсутствует. Температура вещества падает по мере удаления от центра. Градиент температуры меньше адиабатического градиента, поэтому конвекция здесь физически невозможна. Тепло передается фотонами, испускаемыми ионами гелия и водорода, которые проходят небольшое расстояние и опять поглощаются.

Далее идет солнечная зона конвекции. Здесь солнечная плазма недостаточно плотная и горячая для передачи внутреннего тепла путем излучения. Конвекция происходит путем переноса слоев, несущих горячее вещество, наружу – в фотосферу. Как только плазма остывает в фотосфере, она обратно погружается во внутреннюю часть зоны конвекции и нагревается от наружной части зоны излучения. На поверхности Солнца температура плазмы снижается до 5 700 К. Турбулентная конвекция этого слоя вызывает эффект, который приводит к появлению магнитных полюсов по всей поверхности звезды

Наконец, в фотосфере появляется солнечный свет, который может свободно распространяются (перемещаться) по межзвездному пространству. Эта энергия излучается на поверхность или в атмосферу тел Солнечной системы. Атмосфера Земли фильтрует часть ультрафиолетовых лучей, но определенное количество этой энергии все же достигает земной поверхности, затем отражается от нее обратно в атмосферу. После такого рикошета Земля поглощает часть энергии, и наша планета нагревается. Технологический прогресс позволил создать солнечные батареи, позволяющие использовать естественную солнечную энергию в бытовых целях.

Источник

ЭНЕРГИЯ СОЛНЦА

Солнце является неисчерпаемым источником энергия. Многие миллиарды лет оно испускает огромное количе­ство тепла и света. Для создания такого же количества энергии, какое испускает Солнце, понадобилось бы 180 ООО ООО миллиардов электростанций, обладающих мощностью Куйбышевской ГЭС.

Основным, источником энергии Солнца служат ядер — ныа реакции. Какие же реакции там происходят? Может быть, Солнце — это гигантский атомный котёл, сжигаю­щий огромные запасы урана или тория?

Солнце состоит главным образом из лёгких элемен­тов — водорода, гелия, углерода, азота и т. д. Около по­ловины его массы составляет водород. Количество урана и тория на Солнце очень невелико. Поэтому они не могут быть основными источниками солнечной энергии.

В недрах Солнца, где происходят ядерные реакции, температура достигает примерно 20 миллионов градусов. Заключённое там вещество находится под огромным дав­лением в сотни миллионов тонн на каждый квадратный сантиметр и чрезвычайно уплотнено. При таких условиях могут происходить ядерные реакции иного типа, которые приводят не к делению тяжёлых ядер на более лёгкие, а наоборот — к образованию более тяжёлых ядер из бо­лее лёгких.

Мы уже видели, что соединение протона и нейтрона в ядро тяжёлого водорода или двух прогонов и двух ней­тронов в ядро гелия сопровождается освобождением боль­шого количества энергии. Однако трудность получения необходимого количества нейтронов лишает этот способ освобождения атомной энергии практической ценности.

Более тяжёлые ядра можно создавать и с помощью одних протонов. Например, соединив друг с другом два протона, мы получим ядро тяжёлого водорода, так как один из двух протонов тотчас же превратится в нейтрон.

Соединение протонов в более тяжёлые ядра происхо­дит под действием ядерных сил. При этом освобождается очень большая энергия. Но при сближении протонов бы­стро возрастает электрическое отталкивание между ними. Медленные прогоны не могут преодолеть этого отталкива­ния и подойти друг к другу на достаточно близкое рас­стояние. Поэтому такие реакции производятся только очень быстрыми протонами, имеющими запас энергии, до­статочный для преодоления действия электрических сил отталкивания.

При царящей в недрах Солнца чрезвычайно высокой температуре атомы водорода теряют свои электроны. Не­которая доля ядер этих атомов (прогонов) приобретает скорости, достаточные для образования более тяжёлых ядер. Так как количество таких протонов в глубине Солнца весьма велико, то и количество создаваемых ими более тяжёлых ядер оказывается значительным. При этом освобождается очень большая энергия.

Ядерные реакции, идущие при очень высоких темпера­турах, называются термоядерными. Примером тер­моядерной реакции может служить образование ядер тяжёлого водорода из двух протонов. Оно происходит сле­дующим путём:

Протон протон тяжёлый позитрон водород

Освобождаемая при этом энергия почти в 500 ООО раз больше, чем при горении угля.

Необходимо отметить, что и при столь высокой темпе­ратуре далеко не каждое столкновение протонов друг с другом приводит к образованию ядер тяжёлого водо­рода. Поэтому протоны расходуются постепенно, что и обеспечивает выделение ядерной энергии на протяжении сотен миллиардов лет.

Солнечная энергия, повидимому, получается с помо­щью другой ядерной реакции — превращения водорода в гелий. Если четыре ядра водорода (протона) соединить в одно более тяжёлое ядро, то это и будет ядро гелия, так как два из этих четырёх протонов превратятся в нейтроны. Такая реакция имеет следующий вид:

4,№ — 2Не*+ 2 +1е° . водород гелий позитроны

Образование гелия из водорода происходит на Солнце несколько более сложным путём, который, однако, приво­дит к такому же результату. Происходящие при этом реакции изображены на рис. 23.

Сначала один протон соединяется с ядром углерода бС12, образуя неустойчивый ивотоп азота 7И13- Эта реак­ция сопровождается освобождением некоторого количества ядерной энергии, уносимой гамма-излучением. Об­разовавшийся азот т№3 вскоре превращается в устойчи­вый изотоп углерода 6С13. При этом испускается пози­трон, обладающий значительной энергией. Через некото­рое время к ядру бС13 присоединяется новый (второй) протон, в результате чего возникает устойчивый изотоп азота 7№4, а часть энергии снова освобождается в виде гамма-излучения. Третий протон, присоединившись к ядру 7МИ, образует ядро неустойчивого изотопа кисло­рода вО15. Эта реакция также сопровождается испуска­нием гамма-лучей. Образовавшийся изотоп 8015 выбра­сывает позитрон и превращается в устойчивый изотоп азота 7№5. Присоединение четвёртого протона к этому ядру приводит к возникновению ядра 8016, которое рас­падается на два новых ядра: ядро углерода бС[11] и ядро гелия гНе4.

В результате этой цепочки следующих друг за дру­гом ядерных реакций вновь образуется исходное ядро углерода 6С12, а вместо четырёх ядер водорода (прото­нов) появляется ядро гелия. На осуществление этого цикла реакций уходит около 5 миллионов лет. Восстановленное

Рис. 23. Превращение водорода в гелий на Солнце.

Ядро бС12 может снова начать такой же цикл. Освобождае­мая энергия, уносимая гамма-излучением и позитронами, и обеспечивает излучение Солнца.

Повидимому, таким же путём получают огромную энергию и некоторые другие звёзды. Однако многое в этом сложном вопросе ещё остаётся нерешённым.

Же условиях протекают значительно быстрее. Так, реакция

Дейтерий лёгкий лёгкий водород гелий

Может при наличии большого количества водорода за­кончиться в несколько секунд, а реакция —

ХНз + ,Н‘ —>2Не4 тритий лёгкий гелий водород

— в десятые доли секунды.

Быстрое соединение лёгких ядер в более тяжёлые, происходящее при термоядерных реакциях, позволило создать новый вид атомного оружия — водородную бомбу. Одним из возможных путей создания водородной бомбы является термоядерная реакция между тяжёлым и сверхтяжёлым водородом:

Дейтерий тритий гелий нейтрон

Энергия, освобождаемая при этой реакции, примерно в 10 раз больше, чем при делении ядер урана или плутония.

Чтобы начать эту реакцию, надо нагреть дейтерий и тритий до очень высокой температуры. Такую темпера­туру в настоящее время можно получить только при атомном взрыве.

Водородная бомба имеет прочную металлическую обо­лочку, размеры которой больше размеров атомных бомб. Внутри неё находится обычная атомная бомба на уране или плутонии, а также дейтерий и тритий. Для взрыва во­дородной бомбы надо сначала взорвать атомную бомбу. Атомный взрыв создаёт большую температуру и давление, при которых заключённый в бомбе водород начнёт пре­вращаться в гелий. Освобождаемая при этом энергия под­держивает высокую температуру, необходимую для даль­нейшего протекания реакции. Поэтому превращение водо­рода в гелий будет продолжаться до тех пор, пока либо не «сгорит» весь водород, либо не разрушится оболочка бомбы. Атомный взрыв как бы «поджигает» водородную бомбу, а она своим действием значительно усиливает мощность атомного взрыва.

Взрыв водородной бомбы сопровождается теми же по­следствиями, что и атомный взрыв — возникновением вы­сокой температуры, ударной волны и радиоактивных продуктов. Однако мощность водородных бомб во много раз больше мощности урановых и плутониевых бомб.

Атомные бомбы имеют критическую массу. Увеличи­вая количество ядерного горючего в такой бомбе, мы не сумеем, полностью его разделить. Значительная часть урана или плутония обычно разбрасывается в зоне взрыва в неразделённом виде. Это сильно затрудняет увеличение мощности атомных бомб. У водородной бомбы никакой критической массы нет. Поэтому мощность таких бомб может быть значительно увеличена.

Производство водородных бомб на дейтерии и тритии связано с громадными расходами энергии. Дейтерий можно получать из тяжёлой воды. Для получения три­тия надо бомбардировать литий 6 нейтронами. Происхо­дящая при этом реакция приведена на стр. 29. Наиболее мощным источником нейтронов являются атомные Котлы. Через каждый квадратный сантиметр поверхности цент­ральной части котла средней мощности выходит в защит­ную оболочку около 1000 миллиардов нейтронов. Сделав в этой оболочке каналы и поместив в них литий 6, можно получать тритий. Природный литий имеет два изотопа: литий 6 и литий 7. Доля лития б составляет всего 7,3%. Полученный же из него тритий оказывается радиоактив­ным. Испуская электроны, он превращается в гелий 3. Период полураспада трития равен 12 годам.

Советский Союз в короткий срок ликвидировал моно­полию США на атомную бомбу. После этого американ­ские империалисты пытались запугивать миролюбивые народы водородной бомбой. Однако и эти расчёты поджи­гателей войны провалились. 8 августа 1953 г. на пятой сессии Верховного Совета СССР товарищ Маленков указал, что Соединённые Штаты не являются монополи­стами и в производстве водородной бомбы. Вслед за тем 20 августа 1953 г. было опубликовано Правительственное сообщение об успешном испытании водородной бомбы в Советском Союзе. В этом сообщении Правительство нар — шей страны ещё раз подтвердило своё неизменное жела­ние добиться запрещения всех видов атомного оружия и установления строгого международного контроля за вы­полнением этого запрещения.

Можно ли сделать термоядерную реакцию управляе­мой и использовать энергию ядер водорода в промыш­ленных целях?

Процесс превращения водорода в гелий не имеет кри­тической массы. Поэтому его можно производить даже при небольшом количестве изотопов водорода. Но для этого надо создать новые источники высокой темпера­туры, отличающиеся от атомного взрыва чрезвычайно малыми размерами. Возможно также, что с этой целью придётся использовать несколько более медленные тер­моядерные реакции, чем реакция между дейтерием и тритием. В настоящее время учёные работают над реше­нием этик задач.

Источник