1.10 Синтез атомных ядер.
Термоядерными реакциями называются ядерные реакции, протекающие между легчайшими ядрами при очень высоких температурах среды. Высокие температуры необходимы для сообщения ядрам, участвующих в реакции, кинетической энергии для преодоления кулоновского барьера и сближения ядер до расстояний, когда начинается ядерное взаимодействие. Легчайшим ядрам не только проще преодолевать кулоновский барьер, но и энергетически выгодно сливаться друг с другом в более тяжелые ядра с выделением энергии. Это следует из анализа кривой удельной связи. Такой процесс слияния ядер, имеющих малую энергию связи, в более тяжелые и сильно связанные ядра, носит названия реакций синтеза.
По современным представлениям термоядерные реакции протекают в недрах звезд и Солнца, в результате чего из протонов получаются ядра гелия. Этот процесс может иметь несколько различных промежуточных стадий, но конечный результат один - четыре протона превращаются в ядро гелия:
-
.(1.10.1)
В процессе этого превращения выделяется 26,7 МэВ энергии, значительная часть которой (от 2 до 19 %) уносится нейтрино. Из-за чрезвычайно малого сечения этого процесса его невозможно осуществить в земных условиях.
На Земле термоядерные реакции в относительно крупных масштабах удалось осуществить только в испытательных взрывах термоядерных, или «водородных» бомб. Вероятная схема реакций синтеза в водородной бомбе включает реакцию
-
n + 6Li → 4He +3H + 4,79 МэВ,
(1.10.2)
которая
служит для получения трития. В центре
водородной бомбы имеется ядерная бомба
деления, которая окружена оболочкой из
комбинированного термоядерного горючего,
чаще всего из твердого химического
соединения, молекулы которого состоят
из атомов дейтерия и атомов 6Li.
Бомба деления служит запалом и во время
ее взрыва создается высокая температура
примерно 107К
и
возникают мощные нейтронные потоки.
Далее процесс носит цепной характер,
нейтроны вызывают реакцию (1.10.2), нагретые
до высоких температур ядра дейтерия и
трития вступают в реакцию, в результате
которой выделяется энергия и образуются
нейтроны и т.д. Цепной процесс прекращается
тогда, когда термоядерное горючее
разлетается на расстояния, при которых
концентрация ядер горючего становится
недостаточной для протекания цепного
термоядерного процесса.
Осуществление в земных условиях управляемого термоядерного синтеза (УТС) должно полностью решить проблему снабжения человечества энергией, по крайней мере, на необозримое будущее. Существующие запасы дейтерия в водах морей и океанов в виде примеси тяжелой воды D2O к обыкновенной воде Н2О (концентрация ядер дейтерия составляет 0,015 %) являются практически неисчерпаемым источником термоядерного топлива. Например, количество дейтерия в стакане воды, несмотря на столь малую концентрацию, энергетически эквивалентно 60 литрам бензина.
Однако интенсивные работы, ведущиеся для реализации УТС в течение последних 50 лет, только продемонстрировали исключительную сложность этой проблемы. Реакции УТС должны протекать в установках ограниченного объема, при нагреве смеси реагирующих ядер до температур ~ 108 ÷ 109К. При таких температурах вещество переходит в четвертое состояние, называемое плазмой. Горячая плазма, находящаяся в замкнутом объеме, расширяясь, неизбежно вступит в контакт со стенками сосуда и передав им тепло, остынет, возможно, даже расплавив их. Поэтому горячая плазма может существовать только ограниченное время и основной задачей УТС является увеличение времени τ удержания плазмы в нагретом до термоядерных температур состоянии. Превышение выделения энергии в результате термоядерной реакции над затратами энергии для нагревания плазмы до термоядерных температур определяется т.н. критерием Лоусона:
nt >1014 (для d-t реакции, Т = 109К), nt >1016 (для d-d реакции, Т = 108К), |
(1.10.3) |
где n [см-3] – концентрация ядер плазмы, t[c] – время удержания.