Термоядерные реакции

Ядерный синтез, т.е. слияние легких ядер в одно ядро, сопро­вождается, как и деление тяжелых ядер, выделением огромных коли­честв энергии. Поскольку для синтеза ядер необходимы очень высокие температуры, этот процесс называется термоядерной реакцией.

Чтобы преодолеть потенциальный барьер, обусловленный кулоновским отталкиванием, ядра с порядковыми номерами Z₁ и Z₂ должны обладать энергией

где r_я - радиус действия ядерных сил, равный ~ 2·10^-13 см. Даже для ядер с Z₁ = Z₂ = 1 эта энергия составляет

.

На долю каждого сталкивающегося ядра приходится 0,35 МэВ. Средней энергии теплового движения, равной 0,35 МэВ, соответствует темпера­тура порядка 2·10⁹ К. Однако синтез легких ядер может протекать и при значительно меньших температурах. Дело в том, что из-за случай­ного распределения частиц по скоростям всегда имеется некоторое число ядер, энергия которых значительно превышает среднее значение. Кроме того, что особенно существенно, слияние ядер может произойти вследствие туннельного эффекта. Поэтому некоторые термоядерные ре­акции протекают с заметной интенсивностью уже при температурах по­рядка 10⁷ К.

Особенно благоприятны условия для синтеза ядер дейтерия и трития, так как реакция между ними носит резонансный характер. Именно эти вещества образуют заряд водородной (или термоядерной) бомбы. Запалом в такой бомбе служит обычная атомная бомба, при взрыве которой возникает температура порядка 10⁷ К. Реакция синте­за дейтрона (d) и ядра трития ( )

сопровождается выделением энергии, равной 17,6 МэВ, что составляет ~ 3,5 МэВ на нуклон. Для сравнения укажем, что деление ядра ура­на приводит к высвобождению 0,85 МэВ на нуклон.

До недавнего времени представлялось несомненным, что синтез ядер водорода в ядра гелия является источником энергии Солнца и звезд, температура в недрах которых достигает 10⁷ – 10⁸ К. Этот синтез может осуществляться двумя путями. При более низких темпера­турах имеет место протонно-протонный цикл, протекающий следующим образом. Вначале происходит синтез двух протонов с образованием дейтрона, позитрона и нейтрино:

Образовавшийся дейтрон, сталкиваясь с протоном, объединяется с ним в ядро

:

.

Последнее звено цикла образует реакция

При более высоких температурах большей вероятностью обладает предложенный Г. Бете углеродный (или углеродно-азотный) цикл, ко­торый состоит из следующих звеньев:

Итогом углеродного цикла является исчезновение четырех протонов и образование одной α – частицы. Количество ядер углерода остается неизменным; эти ядра участвуют в реакции в роли катализатора.

В водородной бомбе термоядерная реакция носит неконтролируемый характер. Для осуществления управляемых термоядерных реакций необ­ходимо создать и поддерживать в некотором объеме температуру поряд­ка 10⁸ К. При столь высокой температуре вещество представляет собой полностью ионизированную плазму. На пути осуществления управляе­мой термоядерной реакции стоят огромные трудности. Наряду с не­обходимостью получить чрезвычайно высокие температуры, возникает проблема удержания плазмы в заданном объеме. Соприкосновение плаз­мы со стенками сосуда приведет к ее остыванию. Кроме того, стенка из любого вещества при такой температуре немедленно испарится. В связи с этим для удержания плазмы в заданном объеме приходится использовать магнитное поле. Силы, действующие в этом поле на дви­жущиеся заряженные частицы, заставляют их двигаться по траектори­ям, расположенным в ограниченной части пространства.

Осуществление управляемого термоядерного синтеза даст чело­вечеству практически неисчерпаемый источник энергии. Поэтому рабо­ты по овладению управляемыми термоядерными реакциями ведутся во многих странах.