9.3. Проблеми керованого термоядерного синтезу.

Термоядернi реакції –це реакції синтезу легких ядер, що вiдбув. лише при високiй Т. Для злиття 2 ядер їх треба зблизити на вiдстань ядерних взаємодiй - 2 *10^-15 м. Для цього потрiбно виконати роботу проти сил електростатичного відштовхування ядер: A=Z₁Z₂e² , тут Z1,Z2- порядкові номери

4Πε₀r елементів; r=2*10^-15 м- радіус дії ядерних сил. Навіть для найлегших ядер з Z1=Z2=1, якими є ядра нуклонів ¹Н ,²Н ,³Н, робота A=1,35*10^-13Дж=0,72МеВ.

Для виконання цієї роботи кожна з двох частинок повинна мати Ек 3/2kТ=1/2*1,35*10^-13Дж.

Звiдси випливає, що злиття ядер можливе при Т = 2* 10⁹ К . Насправдi реакції синтезу легких ядер вiдбув. з помiтною iнтенсивнiстю при значно нижчих Т, порядку 10⁷ К. Причина цього - наявнiсть у тепловому pyci частинок зi швидкостями, значно вищими вiд cepeднix, кpiм того істотню роль вiдiграє тунельний ефект. Згiдно з квантовою механiкою існує певна ймовiрнiсть того, що частинка проникає крiзь потенцiальний барє'р з Е меншою вiд нього, проходячи наче через тунель у бар'єрi. Найсприятливiшi умови ств. для реакцiй синтезу ядер iзотопiв водню; вони можуть давати тaкi три типи реакuiй : ²₁H+²₁H →³₂H+¹₀n+3,2 МеВ

²₁H+²₁H →³₁H+¹₁H +4 МеВ ²₁H+³₁H →⁴₂Hе+¹₀n +17,6 МеВ

З найбiльшою ймовiрнicтю вiдбув. 3-я реакцiя синтезу ²₁H i ³₁H, яка має резонансний характер, тобто вiдповiдає умовам, коли Е складеного ядра, що утв. при захопленнi бомбардуючої частинки, точно вiдловiдає Е одного iз збуджуючих станів цього ядра. При тiй самiй Т синтез ²₁H та ³₁H вiдбув. в 100 разiв швидше, нiж двi першi реакції. Оскiльки Е зв'язку нуклонiв у легких ядрах значно менша нiж у середнiх ядрах, у реакцiях синтезу легких ядер видiляється значна Е. Внаслiдок повної реакцiї синтезу ядер 1 кг сумiшi ²₁H і ³₁H видiляпься Е + 72 * 1013 Дж, яка у 8 разiв бiльша вiд Е подiлу

1 кг ²³⁵U. Першу реакцiю синтезу ²₁H і ³₁H було здiйснено в СРСР у 1953 р. у виглядi вибуху потужної водневої бомби. Високої Т, необхiдної для реакції синтезу, було досягнуто завдяки вибуху уранової бомби; подальше зростання Т зумовлювалося перебiгом реакцiї синтезу. Kpiм реакцiї синтезу водню в гелiй, з великою ймовiрнiстю вiдбуваються реакцiї синтезу лiтiю з ²₁H :

Вивiльнення величезної Е в реакцiях синтезу легких ядер висунуло на перший план проблему здiйснення керованих термоядерних реакцiй. Вирiшення цiєї проблеми дало б змогу викор. як ядерне паливо великi запаси H₂ на Землi. Хоча найлегшим є повний синтез однакової к-тi ²₁H і ³₁H, все ж у майбутньому головне значення матимуть реакцii' синтезу чистого ²₁H. ³₁H у природi дуже мало, тодi як природнi запаси ²₁H практично необмеженi. К-ть ²₁H у водах океанів оцiнюcrься в 10¹⁷ кг; 1 лiтр звичайної води за Е еквiвалентний ~ 400 л нафти.

Здійснення керованих ядерних реакцій пов’язане із значними труднощами : треба забезпечити розігрів ²₁H в обмеженому об’ємі до Т понад 10⁸К. Ще важче забезпечити ізоляцію від стінок посудини, в якій вона міститься. Адже дотик плазми до стінок посудини зумовив би їх бурхливе випаровування, а сама плазма раптово б охолоджувалася, що припинило б термоядерну реакцію. Для утв. Високотемпературної плазми практикують потужні імпульсні ел. розряди в газах. У цих розрядах І~2МеА. Імпульси такого струму дістають від зарядження потужними батареями конденсаторів. У момент розряду Т плазми досягає кількох десятків мільйонів ⁰К.