1.4. Термоядерные реакции.

Б.И.Лучков, Солнце-термоядерный реактор, М.: МИФИ, 2001

Термоядерные реакции играют чрезвычайно важную роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и звезд имеет термоядерное происхождение. Идея термоядерного источника робко высказанная в 1929 Р.Аткинсоном и Ф.Хоутермансом нашла окончательное выражение через 10 лет в работах Х.Бете. На разных этапах «горения» звезды идут различные процессы, которые удобно объединять в циклы. На ранней стадии горения преобладает РР-цикл. Это самый длительный цикл горения, который длится миллиарды лет. Например, сегодня на Солнце за счет реакций данного цикла выделяется около 80% энергии.

По мере того, как в центральной части звезды происходит горение водорода, его запасы там истощаются и происходит накопление гелия. В центре звезды формируется гелиевое ядро. Когда водород в центре звезды выгорел, энергия за счет термоядерной реакции горения водорода не выделяется и в действие вновь вступают силы гравитации. Гелиевое ядро начинает сжиматься. Сжимаясь, ядро звезды начинает нагреваться еще больше, температура в центре звезды продолжает расти. Кинетическая энергия сталкивающихся ядер гелия увеличивается и достигает величины, достаточной для преодоления сил кулоновского отталкивания. Начинается следующий этап термоядерной реакции - горение гелия, который еще называют CN-цикл . В результате ядерных реакций горения гелия образуются ядра углерода. Затем начинаются реакции горения углерода, неона, кислорода. По мере горения элементов с большим Z температура и давление в центре звезды увеличиваются со все возрастающей скоростью, что в свою очередь увеличивает скорость ядерных реакций. Ядерные реакции синтеза более тяжелых элементов могут продолжаться до тех пор, пока возможно выделение энергии. На завершающем этапе термоядерных реакций в процессе горения кремния образуются ядра в районе железа. Это конечный этап звездного термоядерного синтеза, так как ядра в районе железа имеют максимальную удельную энергию связи. Более тяжелые элементы могут образовываться в результате радиационного захвата нейтронов. На сегодняшний день в теории объясняется не только пути образования элементов во вселенной, но их относительное содержание.

Р. Тейлор. Происхождение химических элементов. - М.: Мир. 1978.

РР-цикл

1. Самое узкое место ( )

2. «Короткий» путь ( )

3. Последний шаг ( )

Энергетический баланс

CN-цикл

Ядро углерода может образоваться в звезде в результате реакции

Ядро углерода может служить катализатором слияния четырех протонов в ядро гелия в результате следующих реакций:

Энергетический баланс

1.5. Термоядерные реакции в земных условиях.

Ядерные реакции могут протекать при бомбардировке атомов быстрыми заряженными частицами (протоны, нейтроны, α-частицы, ионы). Первая реакция такого рода была осуществлена с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе, в 1932 году Дж.Д.Кокрофт, Э.Т.С.Уолтон в лаборатории Э.Резерфорда:

+17 Мэв

Подобные реакции имеют очень маленькие сечения реакций из-за высокого кулоновского барьера (отталкивание ядер за счет электромагнитного взаимодействия). Ниже приведены примеры термоядерных реакций, которые рассматриваются как возможные источники энергии в термоядерных установках.

+ 4 МэВ

+ 3,25 МэВ

Дейтерий - стабильный изотоп водорода. Входит в состав любой воды (0,015%). Тритий – радиоактивный изотоп водорода с периодом полураспада 12,26 лет.

На сегодняшний день наиболее привлекательной для получения энергии в энергетических установках является реакция:

+ 17,6 МэВ (14,1 МэВ на нейтрон)

Основное преимущество данной реакции заключается в большом сечении взаимодействия по сравнению с другими аналогичными реакциями. В таблице 2.

Таблица. 2. Сечения реакций

Энергия D, кэВ	DD, барн	DT, барн
3	10-10	3 10-3
30	10-7	0,3

В качестве одного из перспективных направлений энергетики будущего специалисты рассматривают безнейтронные реакции синтеза, проходящие с участием изотопа гелия ³He:

³He + ³He ⁴He + 2p⁺ +12,8 МэВ,

³He + D ⁴He + p⁺ +8,35 МэВ.

Эти реакции не сопровождаются появлением потока нейтронов высокой энергии, и, следовательно, реакторы для их проведения будут проще, легче и безопаснее из-за отсутствия наведенной радиоактивности в конструкциях. Однако здесь есть одно "но": ³He на Земле практически не встречается. Природный гелий состоит из смеси двух изотопов - ⁴He и ³He, причем на долю последнего приходится только 0,000138%. Такое в высшей степени неравномерное распределение связано с тем, что ⁴He образуется при альфа-распаде урана (U), тория (Th) и других природных радионуклидов (напомним, что альфа-частица и есть ядро гелия). В тонне гранита, содержащей около трех граммов урана и пятнадцати граммов тория, образуется только миллиграмм ⁴He почти за восемь миллионов лет. Однако за время существования Земли в коре планеты его накопилось немало. Природные газы содержат до 7% этого изотопа и служат единственным источником его промышленной добычи. А так называемый гелиевый метод - отношение масс He/(U + Th) в минералах - используется для определения их абсолютного возраста. Изотоп ³He появляется в результате бета-распада (реакция, при которой ядро испускает электрон и нейтрино, меняя заряд на единицу) трития.

₁³T ₂³He + e^- + ^~

или при слияии двух атомов дейтерия

D + D ³He + n.

Так как дейтерия на Земле в целом мало, а трития практически нет вообще, то и ³He обнаруживается в мизерных количествах. Зато на поверхности космических тел, лишенных атмосферы, где проходят интенсивные реакции с потоками солнечных нейтронов высокой энергии, этот изотоп образуется весьма активно. В метеоритном веществе и в лунных породах его содержание колеблется от 17 до 32%. Уже подсчитано, что в обозримом будущем станет экономически выгодно добывать ³He на Луне и доставлять его на Землю для использования в термоядерных реакторах синтеза.