Термоядерные реакции во Вселенной Термоядерные реакции во Вселенной играют двоякую роль:

• как основной источник энергии звезд;

• как один из основных механизмов нуклеосинтеза.

Для нормальных гомогенных звезд, в том числе Солнца, главным процессом экзоэнергетического ЯС является сгорание H в He, точнее, превращение 4 протонов в ядро ⁴He, 2 позитрона и 2 нейтрино. Этот результат можно получить двумя путями:

1. в протон-протонной (РР) цепочке, или водородном цикле;

2. в углеродно-азотном цикле (CN).

Для звезд-гигантов с плотными, выгоревшими (по содержанию H) ядрами существенны гелиевый и неоновый циклы термоядерных реакций. Они протекают при значительно более высоких температурах и плотностях, чем PP–CN-циклы. Основной реакцией гелиевого цикла, идущей начиная с 200 млн. К, является т. н. процесс Солпитера (-реакция):

(процесс двухступенчатый, идущий через промежуточное ядро ⁸Be).

Далее могут следовать реакции: ,; в этом состоит один из механизмов нуклеосинтеза –создание химических элементов.

Сама возможность процесса Солпитера, а тем самым и нуклеосинтеза большинства элементов (предпосылка возникновения всех форм жизни!), связана с таким случайным (?) обстоятельством, как большая «острота» резонанса в зависимости для ядерной реакции, обеспечиваемая, в свою очередь, наличием подходящего дискретного уровня у ядра⁸Be.

Если продукты реакции гелиевого цикла вступят в контакт с Н, то осуществляется неоновый (Ne – Na) цикл, в котором ядро ²⁰Ne играет роль катализатора для процесса сгорания Н в Не. Последовательность реакций здесь вполне аналогична CN-циклу, только ядра ¹²C, ¹³N, ¹³C, ¹⁴N, ¹⁵O, ¹⁵N заменяются соответствующими ядрами ²⁰Ne, ²¹Na, ²¹Ne, ²²Na, ²³Mg, ²³Na. Мощность этого цикла как источника энергии невелика. Но он, по-видимому, имеет большое значение для нуклеосинтеза, т. к. одно из промежуточных ядер цикла (²¹Ne) может служить источником нейтронов: (аналогичную роль может играть и ядро¹³C, участвующее в CN-цикле). Последующий «цепной» захват нейтронов, чередующийся с процессами -распада, является механизмом синтеза все более тяжелых ядер.

Средняя интенсивность энерговыделения Ев типичных звездных термоядерных реакциях по земным масштабам ничтожна: так для Солнца (в среднем на 1 г солнечной массы) Е=2 эрг/с. г. Это гораздо меньше, например, скорости энерговыделения в живом организме в процессе обмена веществ, а обычная электрическая лампочка по мощности эквивалентна многим тоннам солнечного вещества. Однако вследствие огромной массы Солнца (2∙10³³ г) полная излучаемая им мощность (4∙10²⁶ Вт) столь велика (она соответствует ежесекундному уменьшению массы Солнца ~ на 4 млн. тонн), что даже ничтожной ее доли достаточно, чтобы оказывать решающее влияние на энергетический баланс земной поверхности, жизни и т. д.

Благодаря колоссальным размерам Солнца и звезд, в них идеально решается проблема удержания (в данном случае гравитационного) и термоизоляции плазмы: реакции протекают в горячем ядре звезды, а теплоотдача происходит с удаленной от ядра и гораздо более холодной поверхности. Только поэтому звезды могут эффективно генерировать энергию в таких медленных процессах, как РР- и CN- циклы. В земных условиях эти процессы практически неосуществимы.

На Земле имеет смысл использовать лишь наиболее эффективные термоядерные реакции, прежде всего связанные с участием дейтерия, трития и гелия – 3. Подобные реакции в крупных масштабах осуществлены пока только в испытательных взрывах термоядерных, или водородных бомб. Схема реакции в термоядерной бомбе включает реакции 12, 7, 4 и 5 приведенной таблицы, но, в принципе, возможны и другие реакции, например – 16, 14, 3.

Использованием термоядерных реакций в мирных целях может явиться УТС, с которым связывают надежды на решение энергетических проблем человечества, поскольку дейтерий, содержащийся в воде океанов, представляет собой практически неисчерпаемый источник дешевого горючего для УТ реакций. Для УТС наиболее важны термоядерные реакции 7, 5 и 4 (а также реакция 12 для регенерации дорогостоящего трития). По экологическим соображениям все большее внимание привлекают к себе и «чистые» (т. н. малорадиоактивные) реакции, не дающие нейтронов, например реакции 20 и особенно 10 (табл. 1).

Устройство для проведения термоядерных реакций – термоядерный реактор – находится в стадии разработки. Основное требование, которому должен удовлетворять реактор, заключается в том, чтобы энерговыделение в результате термоядерных реакций с избытком компенсировало затраты энергии от внешних источников на поддержание реакции.

Различают два типа ТР. К первому относятся реакторы, которым энергия от внешних источников необходима только для зажигания ТР. Далее реакция поддерживается за счет энергии, выделяющейся в плазме при ТР. Например, в дейтерий-тритиевой смеси на поддержание высокой температуры (Т8 кэВ или 10⁸ К) расходуется энергия -частиц (3,52 МэВ), образующихся в ходе реакций при их кулоновском торможении в плазме. В смеси дейтерия с³Не энергия всех продуктов реакций, которая в среднем на каждую реакцию составляет ~2,42 МэВ, т. е. -частиц и протонов, расходуется на поддержание необходимой температуры плазмы. В стационарном режиме работы Т. Р. энергия, которую несут заряженные продукты реакций, компенсирует энергетические потери из плазмы, обусловленные в основном теплопроводностью плазмы и излучением. Такие реакторы называются реакторами с зажиганием самоподдерживающейся термоядерной реакции. Пример такого Т. Р.: токамак, стелларатор.

Для равнокомпонентной ДТ-плазмы с максвелловским распределением частиц по скоростям критерий зажигания самоподдерживающейся термоядерной реакции можно записать в виде:

,

где – плотность электронов (в см^-3), – температура плазмы (в кэВ),– время удержания энергии в плазме без учета потерь на тормозное излучение (в секундах);– усредненная по максвелловскому распределению скорость термоядерной реакции ( в см³с^-1). Второй член в знаменателе характеризует потери энергии ДТ-плазмы на тормозное излучение.

Величина называетсяпараметром удержания энергии в плазме и принимает минимальное значение 1,6∙10¹⁴ см^-3∙с при 25 кэВ.

К другому типу реакторов относятся те, в которых для поддержания горения реакций недостаточно энергии, выделяющейся в плазме в виде заряженных продуктов реакции, а необходима энергия от внешних источников. Такие реакторы принято называть реакторами с поддержанием горения термоядерных реакций. Это происходит в тех реакторах, где велики энергетические потери, например открытая магнитная ловушка. Эти два вида реакторов включают все возможные ТР, которые могут быть построены на основе систем с магнитным удержанием плазмы или систем с инерциальным удержанием плазмы.

Реактор с последней системой характеризуется тем, что в него за короткое время (10^-8–10^-7) с помощью либо излучения лазера, либо пучков релятивистских электронов или ионов вводится энергия, достаточная для возникновения и поддержания ТР. Такой Р будет работать только в режиме коротких импульсов, в отличие от Р с магнитным удержанием плазмы, который может работать в квазистационарном режиме или даже стационарном режиме.

Разработка ТР с магнитным удержанием плазмы более продвинута. Проект международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР) разрабатывается с 1988 года четырьмя сторонами (Россия, США, странами Евратома и Японией). Т.Р. имеет следующие параметры:

• большой радиус плазмы 8,1 м;

• малый радиус плазмы в ср. плоскости 3 м;

• тороидальное магнитное поле на оси 5,7 Тл;

• номинальный ток плазмы 21МА;

• номинальная термоядерная мощность с ДТ топливом 1500 МВт.

В качестве первого шага на пути создания термоядерной энергетики представляется ТР, работающий на ДТ смеси за счет большей скорости протекания реакций, чем при других реакциях синтеза. В перспективе рассматривается возможность создания малорадиоактивного ТР на смеси Д с ³Не, в котором основную энергию несут заряженные продукты реакции, а нейтроны возникают лишь в ДД и ДТ реакциях при выгорании рождающегося в ДД реакциях трития. В результате биологическая опасность ТР может быть, по-видимому, снижена на четыре-пять порядков величины по сравнению с ядерными реакциями деления. Но возникает сложность при создании экологически чистого ТР, так как концентрация протона ³Не на Земле составляет миллионные доли от протона ⁴Не. Возникает трудный вопрос получения исходного сырья, например путем доставки его с Луны, где он имеется в значительных концентрациях.