11.5. Термоядерный синтез легких элементов

Ядерные реакции могут протекать с выделением или поглощением энергии Q, которая превышает в 10⁶ раз энергию при протекании химических реакций.

Если Q > 0, происходит выделение энергии (экзотермическая реакция).

Например,

+2+17 МэВ. (11.14)

При Q < 0 наблюдается поглощение энергии (эндотермическая реакция). Например,

2+ 17 МэВ. (11.15)

Термоядерные реакции - реакции слияния (синтеза) легких ядер, протекающие при высоких температурах (10⁸ К и выше).

Высокие температуры, т. е. большие относительные энергии сталкивающихся ядер, необходимы для преодоления кулоновского отталкивания. Без этого невозможно сближение ядер на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил. В природных условиях термоядерные реакции протекают в недрах звезд. Для осуществления термоядерной реакции в земных условиях необходимо сильно разогреть вещество либо ядерным взрывом, либо мощным газовым разрядом, либо импульсом лазерного излучения большой мощности и др.

В настоящее время удалось осуществить слияние двух дейтронов:

+МэВ (11.16)

и синтез тритона и дейтрона

+МэВ. (9.17)

Термоядерные реакции в крупных масштабах осуществлены пока только в испытательных взрывах термоядерных (водородных) бомб.

Осуществить термоядерные реакции в мирных целях пока не удалось, хотя идут интенсивные работы по управляемому термоядерному синтезу (УТС), с которым связаны надежды на решение энергетических проблем человечества, поскольку дейтерий, содержащийся в морской воде, представляет собой практически неисчерпаемый источник горючего для УТС.

Экологически чистыми являются термоядерные реакции с участием изотопа гелия .

Например, +МэВ

или

+МэВ. (11.18)

Однако на Земле изотопа гелия практически нет, но зато, предполагают, его много на Луне. Термоядерные реакции осуществляют в ядерных реакторах системах закрытого типа, например, токамак, стелларатор, в которых удержание высокотемпературной плазмы осуществляется: магнитным полем (магнитные ловушки), или с использованием импульсных лазеров, работы с которыми были начаты в 1964 г, или мюонным катализом (холодный термоядерный синтез) и др.

Рис. 11.5

Рассмотрим УТС за счет нагревания термоядерной мишени мощными лазерными импульсами. В отличие от систем с магнитным удержанием не плотной высокотемпературной плазмы, в этой системе сжатие плазмы до сверхвысоких плотностей, чтобы реакция синтеза легких ядер успела произойти за короткое время (микроядерные взрывы), производится лазерными импульсами следующим образом. На термоядерную мишень  полый стеклянный или металлический шарик диаметром 0,11 мм с толщиной стенок 10^6 м, наполненный газовой смесью дейтерия и трития под давлением нескольких атмосфер  фокусируют одновременно несколько лазерных импульсов длительностью 10^9 с и суммарной энергией 10⁴  10⁵ Дж (рис. 11.5, а). Под действием лазерных импульсов высокой интенсивности () происходит бурное (взрывное) испарение оболочки мишени. Возникает, так называемая корона, стремительно расширяющая во все стороны навстречу лазерным импульсам (рис. 11.5, б). Согласно закону сохранения импульса внутренние слои мишени стремительно движутся к центру, сжимаясь, уплотняясь и нагреваясь до температуры, необходимой для термоядерного синтеза дейтерия с тритием (рис. 11.5, б). В результате термоядерной реакции удалось получить поток нейтронов до 10⁶ на один микровзрыв.