3. Синтез ядер и термоядерная энергия.

Эра энергии полезных ископаемых, едва начавшись, вероятнее всего, скоро закончится. Можно назвать, по крайней мере, три причины, обуславливающие этот прогноз: количество полезных ископаемых ограничено, их использование приводит к загрязнению окружающей среды и парниковому эффекту, их запасы невосполнимы. Анализ роста потребляемой человечеством энергии и проблем с этим связанных приводит к неизбежному выводу, что уже в ближайшее время недостаток энергии должен быть восполнен из каких-то других источников. Одним из вероятных кандидатов на такой источник является ядерная энергия, используемая со сверхпроводящими линиями электропередач и с водородом в качестве вторичного топлива. Обычные ядерные реакторы, использующие реакцию деления, будут, по-видимому, играть важную роль лишь в течение ограниченного периода времени, а реакторы-размножители смогут, вероятно, использоваться в течение ближайших столетий. Однако все они обладают двумя существенными недостатками: во-первых, дают большое количество радиоактивных отходов и, во-вторых, приводят к тепловому загрязнению окружающей среды. Возможно с обеими проблемами удастся справиться, однако следует сказать, что другой источник энергии- термоядерный синтез- может оказаться и чище и эффективнее.

Реакцию слияния (синтеза) можно понять, обратившись к зависимости удельной энергии связи от массового номера (рис. 3.1). Очень легкие ядра связаны значительно менее прочно, чем более тяжелые. Если два легких ядра смогут слиться воедино, то при этом энергия реакции Q выделится в форме кинетической энергии.

Мы перечислим здесь несколько основных реакций слияния ядер и приведем для них значения Q.

2H+2H3He+n +4,0 МэВ	3H+3H4He+2n +11,3 МэВ
2H+2H3H+p +3,25 МэВ	3He+3He4He+2p +12,9 МэВ
2H+3H4He+n +17,6 МэВ	3H+3He4He+d +14,3 МэВ
2H+3He4He+p +18,3 МэВ

Реакция слияния ядер начинается тогда, когда оба партнёра находятся в области их взаимного адронного притяжения. Чтобы так сблизиться, сталкивающиеся ядра должны преодолеть их взаимное электростатическое отталкивание, т.е. кулоновский барьер. Скорость реакции слияния, следовательно, будет исчезающее мала при энергиях ниже нескольких кэВ, но она быстро возрастает с ростом кинетической энергии партнёров, вступающих в реакцию. В ускорителе можно легко достичь энергий, необходимых для начала любой реакции слияния. Однако главная цель термоядерных исследований- получение самоподдерживающейся реакции. Для создания такой ситуации смесь, приготовленная для реакции, должна быть нагрета до очень высоких температур, при которых кинетическая энергия ядер становится достаточной для преодоления ими кулоновского барьера. Например, для получения частиц с энергией 10 кэВ требуется температура около 10⁸К (1кэВ соответствует температуре 1,16*10⁷К). При таких температурах ядра оголяются и образуют плазму. Число актов слияния в единицу времени в единице объёма даётся формулой:

, (8.9)

где n_a и n_b – число частиц сортов a и b, соответственно, в единице объёма. Вероятность реакции w_ab(T) или, как принято говорить при описании ядерных и термоядерных процессов, скорость ядерной реакции <v> равна произведению эффективного сечения и относительной скорости, усреднённому по распределению скоростей в плазме

. (8.10)

Для термолизованной плазмы величина F(v)- вероятность встретить частицу, абсолютное значение скорости которой лежит в интервале от v до v+dv. Задаётся распределением Максвелла-Больцмана

; где - приведённая масса, а v-относительная скорость частиц a и b. Тогда число актов взаимодействия ядер a с ядром b за единицу времени в единице объёма записывается в виде: Высвобождаемая энергия в единице объёма за время  имеет вид:

(8.11)

В термоядерном реакторе должно выделяться больше энергии, чем её требуется для нагревания и удержания плазмы. Из формул (8.9)-(8.11) можно заключить, что для получения самоподдерживающейся реакции должны быть удовлетворены три условия: плазма должна быть нагрета до требуемых температур, плотность плазмы должна быть достаточно высокой, температура и плотность должны поддерживаться достаточно долго. Затраты энергии для нагревания n_a+n_b2n частиц до температуры Т равна 3nkT . Таким образом, для работы плазменного реактора требуется, чтобы

. (8.12)

Принимая во внимание потери, можно от этого условия перейти известному критерию Лоусона для реакции слияния дейтрона с тритоном dt:

n >10¹⁴ ccm^-3 при T=10 кэВ. (8.13)

В течение последних 50 лет цель физики плазмы- достичь и превзойти этот критерий. Сначала казалось, что эта задача не будет слишком сложной. Однако природа дарит нам много сюрпризов, и в данном случае она преподнесла их в виде неожиданных неустойчивостей и потерь энергии в реакторе. И то, что представлялось лёгкой дорогой к цели, оказалось тяжёлым переходом через расширяющуюся и углубляющуюся пропасть физики плазмы.