42.Синтез легких ядер. Термоядерный и инерционный синтез. Проблемы управляемого термоядерного синтеза. 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.

Управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерных взрывных устройствах), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционнойядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий(²H) и тритий (³H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (³He) и бор-11 (¹¹B).

Инерциальный управляемый термоядерный синтез^[1] — один из видов ядерного синтеза, при котором термоядерное топливо удерживается собственными силами инерции. Идея заключается в быстром и равномерном нагреве термоядерного топлива, так чтобы образовавшаяся плазма до разлёта успела прореагировать. Таким образом, при использовании данного принципа реактор будет импульсным.^[2]

Для D-T плазмы сжатой в 100 раз^[3] с температурой 10⁸К и диаметром в 2 мм, время удержания соответствует 10⁻⁹ секунды, что создаёт значительную проблему мгновенности разогрева.^[2] Поэтому для разогрева используют различные высокомощные лазеры, в том числе лазеры сверхкоротких импульсов.^[3] Для увеличения плотности и времени удержания используется радиационная имплозиямишени, и прочие вторичные эффекты.

Трудности возникают как чисто физического характера, так и технического характера. Во-первых, это проблема устойчивости горячей плазмы, помещенной в магнитную ловушку. Применение силовых магнитных полей специальной конфигурации позволило подавить многие виды макроскопических неустойчивостей, но окончательное решение этого вопроса пока отсутствует.

В частности, для интересной и важной системы – токамак – остается так называемая проблема «большого срыва», которой плазменный шнур сначала стягивается к оси камеры, затем ток прерывается на несколько мс, и на стенки камеры сбрасывается большая энергия. Камера испытывает не только тепловой, но и механический удар.

Еще одна трудность с проблемой примесей, которые приводят к возрастанию энергетических потерь выше допустимого уровня.

На рисунке 3 указаны параметры, достигнутые на различных установках 1994 г. Как видно параметры этих систем близки к пороговым значениям. На самом большом работающем токамаке ТЕТ (Зап. Европа) в ноябре 1991 г. был впервые осуществлен разрядный импульс на ( ) плазме длительностью около 2 сек. При этом была получена энергия синтеза в управляемых условиях на уровне мощности МВт. Годом позже на установке TFTR была получена энергия МВт. В эксперименте на TFTR отношение энергии синтеза к затраченной энергии равнялось 0,15. Успех этих экспериментов выдвинул токамак на ведущее место среди установок.

Следует, однако, понимать, что путь от работающего реактора до действующей электростанции еще очень долог.

Красивая возможность резкого сокращения радиоактивности работающей системы и остаточной наведенной активности может быть достигнута при работе на топливе с изотопом по реакции

.

Энерговыделение сохраняется на прежнем уровне, образование нейтронов будет происходить только за счет побочных ( ) реакций. Но необходимый изотоп пришлось бы привозить с поверхности Луны, где он имеется в значительных концентрациях, тогда как на Земле его содержание ничтожно.

Оптимум, вероятно, следует искать в сочетании солнечной энергетики и УТС.

Для осуществления УТС очень интересны возможности, связанные с применением процесса мюонного катализа.