Тема: Термоядерный синтез и условия его осуществления. Баланс энергии при термоядерных реакциях. Проблема термоядерной энергетики. Ядра звезд как естественный термоядерный реактор.

Важной характеристикой ядра служит средняя энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон Е_св/А. чем она больше, чем сильнее связаны между собой нуклоны, тем прочнее ядро.

У легких ядер большая доля нуклонов находится на поверхности ядра, где они не полностью используют свои связи и величина Е_св/А невелика. Средняя энергия связи в ядре растет с ростом А до А=60. поэтому, когда образуется среднее или легкое ядро при слиянии более легких, должна освобождаться энергия, поскольку в новом ядре нуклоны сильнее связаны чем в исходных ядер.

Особенно велико должно быть выделение энергии при синтезе легких ядер так как величина Е_св/А при малых А растет очень быстро.

При образовании ядер легких атомов в результате слияния свободных нуклонов дефект массы всегда будет положительным, то есть будет происходить выделение большого количества энергии.

Первая реакция синтеза ядер атомов ⁷₃Li+¹₁H→2⁴₂He+E. При этой реакции на каждый нуклон выделяется 2,2 МэВ энергии. При синтезе ядер выделяется энергии в десятки раз больше, чем при делении тяжелых ядер.

Наиболее эффективным в энергетическом отношении оказался синтез ядер дейтерия и трития: ²₁Н+³₁Н→⁴₂Не+¹₀n+Е. где Е=19,6МэВ. Эта реакция может стать неисчерпаемым источником энергии, так как запасы дейтерия и трития на Земле практически не исчерпаемы.

Для синтеза легких ядер необходимо сблизить их на расстояние 10^-15м, а это возможно лишь при условии повышения температуры ядерного вещества до 10⁷ - 10⁹ К.

Так как ядерные реакции синтеза легких ядер атомов возможны при сверх высоких температурах, то их назвали термоядерными.

Термоядерные реакции – это реакции слияния легких ядер при очень высоких температуре.

Первые термоядерные реакции в земных условиях были осуществлены при взрыве водородных бомб. Необходимая для термоядерной реакции высокая температура была получена при взрыве атомной бомбы.

Принцип действия водородных бомб заключается в следующем. Смесь дейтерия и трития или других легких элементов, ядра которых при соединении дают гелий, помещается в общей оболочке с атомной бомбой. При взрыве атомной бомбы температура повышается до нескольких десятков миллионов градусов и возникает развивающая термоядерная реакция превращения легких ядер в ядра гелия. Таким образом атомная бомба служит как бы для поджигания смеси легких ядер.

В настоящее время ведутся работы по осуществлению управляемой термоядерной реакции:

А) создание сверхвысокой температуру можно создать в плазме мощных электрических разрядов или при встречных пучках лазерных лучей;

Б) удержание плазмы сверхвысокой температуры внутри установки в течение 0,1 - 1с;

В) никакие стенки из вещества не годятся, так как при такой температуре они превращаются в пар. Единственно возможным является метод удержания высокотемпературной плазмы в ограниченном объеме с помощью очень высоких магнитных полей.

Условия для осуществления термоядерных реакций существуют на Солнце и других звездах.

В центре Солнца температура достигает примерно 13млн градусов. При какой температуре атомы полностью ионизированы и вещество представляет собой плазму, содержащую «голые» ядра (без электронной оболочки) и электроны. В недрах Солнца происходит цикл термоядерных реакций, в результате которых ядра водорода превращаются в ядра гелия: 4¹₁Н→⁴₂Не+²₀1e+26,7Мэв. В этом цикле освобождается энергия, почти равная энергии связи ядра ⁴₂Не.

Вопросы для самопроверки:

1. Какие условия необходимы для слияния легких ядер?

2. Какая реакция называется термоядерной реакцией?

3. Условия для осуществления термоядерной реакции.

4. Почему термоядерный синтез происходит на солнце и звездах?