5.5 Синтез атомных ядер
Второй путь получения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. При слиянии легких ядер и образовании нового ядра должно выделяться большое количество энергии. Это видно из кривой зависимости удельной энергии связи от массового числа A. Вплоть до ядер с массовым числом около 60 удельная энергия связи нуклонов растет с увеличением A. Поэтому синтез любого ядра с A < 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.
Реакции слияния легких ядер носят название термоядерных реакций, так как они могут протекать только при очень высоких температурах. Чтобы два ядра вступили в реакцию синтеза, они должны сблизится на расстояние действия ядерных сил порядка 2·10–15 м, преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов. Для этого средняя кинетическая энергия теплового движения молекул должна превосходить потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Расчет необходимой для этого температуры T приводит к величине порядка 108–109 К. Это чрезвычайно высокая температура. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии, которое называется плазмой.
Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях, в расчете на один нуклон в несколько раз превышает удельную энергию, выделяющуюся в цепных реакциях деления ядер. Так, например, в реакции слияния ядер дейтерия и трития:
выделяется 3,5 МэВ/нуклон. В целом в этой реакции выделяется 17,6 МэВ. Это одна из наиболее перспективных термоядерных реакций.
Осуществление управляемых термоядерных реакций даст человечеству новый практически неисчерпаемый источник энергии. Однако получение сверхвысоких температур и удержание плазмы, нагретой до миллиарда градусов, представляет собой труднейшую научно-техническую задачу на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза.
На данном этапе развития науки и техники удалось осуществить только неуправляемую реакцию синтеза в водородной бомбе. Высокая температура, необходимая для ядерного синтеза, достигается здесь с помощью взрыва обычной урановой или плутониевой бомбы.
Термоядерные реакции играют чрезвычайно важную роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и звезд имеет термоядерное происхождение.
5.5.1 Протон - протонная реакция
Эта реакция начинается с таких столкновений между протонами, в результате которых получается ядро тяжелого водорода – дейтерия (рисунок 24.). Как правило, столкновения между протонами являются упругими: после столкновения частицы разлетаются в разные стороны.
Для того, чтобы в результате столкновения два протона слились в одно ядро дейтерия, необходимо чтобы при этом выполнялось два условия. Необходимо, чтобы у одного из сталкивающихся протонов кинетическая энергия более чем в 20 раз превосходила энергию тепловых движений в звезде. Очень незначительная часть протонов имеет такую энергию. Во вторых нужно, чтобы за время столкновения один из двух протонов успел бы превратиться в нейтрон, испустив позитрон и нейтрино (рисунок 24.). при этом длительность столкновения составляет около 10-21 секунды. Несмотря на низкую вероятность совокупности таких событий для отдельно взятой пары протонов, благодаря высокой численности частиц в звездах, такие события происходят в достаточном количестве, обеспечивающем синтез более сложных частиц. В результате объединения протонов в ядро дейтерия выделяется 1,44 МэВ. Описанная реакция является первым звеном в циклическом производстве ядер гелия – рисунок 25.
Жизнь образовавшегося тяжелого водорода – дейтерия непродолжительна, через несколько секунд после образования он поглощает протон и превращается в изотоп гелия-3. в результате этой реакции выделяется 5,49 МэВ. После этого изотоп гелия при встрече с другим таким же изотопом образуют обычный гелий-4 и два протона. Вероятность протекания этой реакции очень мала, но при этом выделяется 12,85 МэВ.
На рисунке 25. показана часть протон - протонной реакции. Другая ее часть заключается в объединении гелия-4 и гелия-3, в результате чего образуется ядро бериллия-7. Ядро 4Ве7 может захватить протон, в результате чего образуется бор-8, или захватить электрон и превратиться в литий. Ядро лития-7 вступив в реакцию с протоном превращается в неустойчивый изотоп 4Ве8, который распадается на две α- частицы.