Термоядерные реакции

 

Легкие ядра могут сливаться с выделением энергии.

Масса покоя ядра урана больше суммы масс покоя оскол­ков, на которые делится ядро. Для легких ядер дело обстоит как раз наоборот. Так, масса покоя ядра гелия значительно меньше суммы масс покоя двух ядер тяжелого водорода, на ко­торые можно разделить ядро гелия.

Это означает, что при слиянии легких ядер масса покоя уменьшается и, следовательно, должна выделяться значитель­ная энергия. Подобного рода реакции слияния легких ядер мо­гут протекать только при очень высоких температурах. Поэто­му они называются термоядерными.

Термоядерные реакции — это реакции слияния легких ядер при очень высокой температуре.

Для слияния ядер необходимо, чтобы они сблизились на расстояние около 10 см, т. е. чтобы они попали в сферу действия ядерных сил. Этому сближению препятствует кулоновское от­талкивание ядер, которое может быть преодолено лишь за счет большой кинетической энергии теплового движения ядер.

Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях в расчете на один нуклон, превышает удельную энергию, выде­ляющуюся при цепных реакциях деления ядер. Так, при слия­нии тяжелого водорода — дейтерия — со сверхтяжелым изото­пом водорода — тритием — выделяется около 3,5 МэВ на один нуклон. При делении же урана выделяется примерно 1 МэВ энергии на один нуклон.

           

Термоядерные реакции в звездах

Термоядерные реакции играют решающую роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и звезд имеет термо­ядерное происхождение.

По современным представлениям на ранней стадии разви­тия звезды она в основном состоит из водорода. Температура внутри звезды столь велика, что в ней протекают реакции слияния протонов с образованием гелия. Однако реакция слияния сразу четырех протонов чрезвычайно маловероятна. Реакции происходят при соударениях пар частиц. При этом реакция невозможна из-за того, что изотоп гелия не существует.

​

​

На разных стадиях развития звезд на первый план выдвига­ются различные циклы реакций, конечным результатом кото­рых является образование гелия из четырех протонов. Условия внутри нашего Солнца (температура 1,3-107К, плотность водорода 100 г/см3) таковы, что основную роль иг­рает так называемый протон-протонный (или водородный) цикл. Он начинается со слияния двух протонов с образованием дейтрона, позитрона и нейтрино:

     

 

В этой реакции в числе конечных продуктов появляется элементарная частица нейтрино (символ v). (Об открытии нейтрино мы будем говорить в следующей главе.) Реакция  вызвана слабыми взаимодействиями, о которых упо­миналось во введении к «Электродинамике». Вероятность этой реакции мала из-за того, что слабые взаимодействия уступают по интенсивности ядерным в 1014 раз. В лаборатории реакцию не удалось осуществить до сих пор. Однако число по­добных реакций внутри Солнца велико из-за того, что масса Солнца огромна и число сталкивающихся протонов также ог­ромно.

Возникший в реакции позитрон сталкивается с электроном и превращается в два гамма-кванта :

 

​

При столкновении дейтронов с протонами образуется устойчивый изотоп гелия :

​

​

Далее при столкновении двух ядер изотопа гелия обра­зуется обычный гелий и два протона:

​

​

Последние две реакции обусловлены ядерными силами.

Все четыре реакции идут с выделением энергии, и в резуль­тате цикла превращения четырех протонов в ядро гелия 2Не освобождается энергия 26,7 МэВ, часть которой (около 19%) уносится с нейтрино.

Ежесекундно в Солнце около 600 млрд т водорода превра­щается в гелий. Но запаса водорода в Солнце достаточно для того, чтобы оно непрерывно светило с той же мощностью, что и сейчас, на протяжении еще 1010 лет.

При слиянии ядер гелия образуются более тяжелые элемен­ты. Термоядерные реакции играют решающую роль в эволю­ции химического состава вещества во Вселенной.

​

Управляемые термоядерные реакции

Осуществление управляемых термоядерных реакций на Земле сулит человечеству новый, практически неисчерпаемый источник энергии. Наиболее перспективной в этом отношении реакцией является реакция слияния дейтерия с тритием:

​

 

В этой реакции выделяется энергия 17,6 МэВ. Поскольку трития в природе нет, он должен вырабатываться в самом тер­моядерном реакторе из лития.

Экономически выгодная реакция, как показывают расчеты, может идти только при нагревании реагирующих веществ до температуры порядка сотен миллионов кельвин при большой плотности вещества (1014—1015 частиц в 1 см3). Такие темпе­ратуры могут быть в принципе достигнуты путем создания в плазме мощных электрических разрядов. Основная трудность на этом пути состоит в том, чтобы удержать плазму столь высо­кой температуры внутри установки на протяжении 0,1 — 1 с.

Никакие стенки из вещества здесь не годятся, так как при столь высокой температуре они сразу же превратятся в пар. Единственно возможным является метод удержания высоко­температурной плазмы в ограниченном объеме с помощью очень сильных магнитных полей. Однако до сих пор решить эту задачу не удалось из-за неустойчивости плазмы. Неустой­чивость приводит к диффузии части заряженных частиц сквозь магнитные «стенки».

Ученые нашей страны достигли больших успехов в созда­нии управляемых термоядерных реакций. Эти работы были начаты под руководством академиков Л. А. Арцимовича и М. А. Леонтовича и продолжаются их учениками.

                            

Лазерный термоядерный синтез

Параллельно ведутся работы по осуществлению управляе­мого термоядерного синтеза за счет нагрева мишени мощными лазерными импульсами. Термоядерная мишень представляет собой полый стеклянный шарик диаметром 0,1 — 1 мм с очень тонкими стенками. Шарик наполнен смесью дейтерия и три­тия.

На мишень фокусируются излучения десятков мощнейших лазерных импульсов. Оболочка мишени испаряется и разлета­ется в стороны. Одновременно внутренние слои мишени со­гласно закону сохранения импульса устремляются к центру.

Вещество сжимается и нагревается до температур, при кото­рых возможен термоядерный синтез.

Разрабатываются проекты лазерных реакторов, работаю­щих в импульсном режиме. Наиболее перспективны гибрид­ные реакторы, в которых наряду с реакцией синтеза использу­ется цепная реакция деления ядер урана под действием нейт­ронов, возникающих при термоядерном синтезе. При этом тритий воспроизводится из дешевого лития согласно реакции:

​

 

Несколько раз в секунду термоядерная мишень должна вво­диться в реактор и обстреливаться лазерными импульсами.

На каком пути удастся создать промышленный термоядер­ный реактор, пока не ясно.

Пока же удалось осуществить лишь неуправляемую реак­цию синтеза взрывного типа в водородной (или термоядерной) бомбе.

​

Вопросы для самоконтроля:

​

1.При каких условиях выделяется значительная энергия?

2. Что такое термоядерные реакции?

3. Управляемые термоядерные реакции.

4. Лазерный термоядерный синтез.

5. Назовите продукт неуправляемой реакции синтеза взрывного типа.

​