Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц

48.(0). Реакции термоядерного

синтеза. Ядерные реакции в

звездах. Проблема УТС.

Реакции термоядерного синтеза

Термоядерная энергетика

Водород имеет стабильный изотоп: тяжелый водо- род (дейтерий) и радиоактивный изотоп : сверхтя-

желый водород (тритий). В природной воде в сред-

нем содержится ок. 99.985% обычной ("легкой") воды, и ок. 0.015% тяжелой воды.

При использовании дейтерия, содержащегося в бу-

тылке воды, выделится столько же энергии, сколь- ко при сжигании бочки бензина: калорийность тер-

моядерного топлива в миллион раз выше любого

из современных неядерных источников энергии. При этом окружающей среде будет нанесен мини- мальный вред, а топливо для термоядерной элек- тростанции доступно всем без исключения стра-

нам.

Кулоновский барьер

Чтобы осуществить реакцию синтеза, необходимо

сблизить ядра до расстояния R 10-14 м. Но ядра

имеют положительный электрический заряд, а од- ноименные заряды отталкиваются по закону Куло- на. Для преодоления кулоновского барьера оттал- кивания необходима температура Т порядка

kT e2/4 0R,

откуда Т 109 К.

Более точный расчет дает температуру на порядок меньшую: Т 108 К, но все равно это очень много.

Любое вещество при такой температуре находит-ся в состоянии высокотемпературной плазмы.

Схема конструкции водородной бомбы

А- атомная бомба, в резуль-

тате взрыва которой соз-

дается температура при-

мерно 109К

Т - термоядерное горючее (смесь дейтерия и трития)

В - взрывчатое вещество (обычное) для приведения в

действие атомной бомбы

О - оболочка для предотвра- щения преждевременного

разбрасывания ядерного

горючего

Водородный цикл

7Li3 + p 8Be4 4He2 + 4He2, 7Be4 + p 8B5 + ,

8B5 8Be4 + e+ + e, 8Be4 4He2 + 4He2.

По мере истощения запасов водорода происходит накопление гелия и формируется гелиевое ядро.

Следующий этап в жизни звезды - горение гелия

в реакции:

Продолжительность этого этапа примерно в 10 раз меньше, чем горения водорода. Еще более быс- тро протекают следующие этапы: горение угле-

рода, неона, кислорода, кремния. Конечным

этапом звездного термоядерного синтеза явля- ется образование ядер железа, т.к. именно эти

ядра имеют наибольшую удельную энергию

связи.

Дальнейшая судьба звезды зависит от ее массы. Если начальная масса звезды меньше некоторого

критического значения, равного примерно 8 солнеч-

ным массам, то за счет сил гравитационного сжатия

звезда уменьшится в размерах и станет "белым карликом", который, постепенно остывая, превра- тится в "черного карлика". Если же начальная мас- са звезды превышает это критическое значение, то давление вырожденного электронного газа не смо- жет противодействовать силам гравитационного сжатия, электроны будут "вдавлены" в протоны, произойдет превращение пары протон-электрон в пару нейтрон-нейтрино, звезда коллапсирует в сильно сжатое состояние с выделением огромной

энергии: произойдет то, что в астрономии называ-

ется взрывом сверхновой звезды.

В момент взрыва возникают мощные потоки нейтронов, которые и приво- дят к появлению элементов с массо- выми числами больше 56. Взрыв сверхновой - довольно редкое собы- тие. Однако количество выбрасывае- мого в межзвездное пространство вещества таково, что как раз и позво- ляет объяснить распространенность тяжелых элементов во Вселенной.

Если после взрыва сверхновой сохраня-

ется остаток массы не менее 3-х сол- нечных масс, то он не может сущест-

вовать в виде устойчивой нейтронной звезды, гравитационное сжатие будет продолжаться, и возникнет объект, ко- торый называется черной дырой.

Основное свойство черной дыры состоит

в том, что никакие испускаемые ею сиг-

налы не могут выйти за ее пределы и

достигнуть внешнего наблюдателя.