5.5.2 Углеродно – азотный цикл
В более массивных звездах преобладает углеродно-азотная циклическая реакция: углерод захватывает последовательно 4 протона, выделяя попутно два позитрона, превращается сначала в азот, затем распадается на гелий и углерод (рисунок 26.). В процессе
синтеза ядер гелия происходит выделение гамма – квантов (на рисунке - ). Окончательным результатом обеих реакций является синтез ядра гелия из четырёх ядер водорода с выделением энергии: ядра азота и углерода в углеродно-азотной реакции играют лишь роль катализатора.
Для сближения ядер на такое расстояние, когда может произойти захват, нужно преодолеть электростатическое отталкивание, поэтому реакции могут идти только при температурах, превышающих 107 градусов. Такие температуры встречаются в центральных частях звезд солнечного типа. В звездах малых масс, где температура в центре недостаточна для термоядерных реакций, источником энергии служит их гравитационное сжатие.
На первом этапе этого цикла протон сталкивается с ядром углерода-12, который в результате реакции, превращается в радиоактивный изотоп азота-13 (выделяется 1,95 МэВ), а он благодаря β- распаду обращается снова в изотоп углерода (выделяется 2,22 МэВ), но теперь 6С13, который в свою очередь, получив протон, вновь становится азотом – 7N14 (выделяется 7,54 МэВ). Еще один протон добавленный к ядру азота-14 обеспечивает его превращение в кислород-15 (выделяется 7,35 МэВ), он же, испуская позитрон вновь переходит в азот - 7N15 (выделяется 2,71 МэВ). И, в заключение циклического процесса ядро азота-15 получает очередной протон, испускает α- частицу и вновь становится исходным атомом углерода-12 (выделяется 4,96 МэВ). Часть этой энергии уносится нейтрино, обладающими высокой проникающей способностью, остальная энергия идет на нагрев вещества.
В условиях более высоких температур и давлений в звездах могут быть образованы и ядра более сложных химических элементов. Как полагают специалисты в области космологии, все разнообразие существующих химических элементов и их изотопов образовалось в звездах, значительно превосходящих по этим параметрам Солнце.
5.5.3 Управляемый термоядерный синтез
Неуправляемый термоядерный синтез осуществлен в земных условиях, при взрыве термоядерных устройств. Однако значительно больший интерес представляет управляемый термоядерный синтез - процесс слияния лёгких атомных ядер, происходящий с выделением энергии при высоких температурах в регулируемых, управляемых условиях. Скорости протекания термоядерных реакций малы из-за кулоновского отталкивания положительно заряженных ядер. Поэтому процесс синтеза идёт с заметной интенсивностью только между лёгкими ядрами, обладающими малым положительным зарядом и при высоких температурах, когда кинетическая энергия сталкивающихся ядер оказывается достаточной для преодоления кулоновского потенциального барьера.
В природных условиях термоядерные реакции между ядрами водорода (протонами) протекают в недрах звёзд, в частности во внутренних областях Солнца, и служат тем постоянным источником энергии, который определяет их излучение. Сгорание водорода в звёздах идёт с малой скоростью, но гигантские размеры и плотности звёзд обеспечивают непрерывное испускание огромных потоков энергии в течение миллиардов лет. С несравненно большей скоростью идут реакции между тяжёлыми изотопами водорода (дейтерием 2H и тритием 3H) с образованием сильно связанных ядер гелия:
Именно названные реакции представляют наибольший интерес для получения энергии в реакциях управляемого термоядерного синтеза. В особенности привлекательна вторая реакция, сопровождающаяся большим энерговыделением и протекающая со значительной скоростью. Тритий радиоактивен (период полураспада 12,5 лет) и не встречается в природе. Следовательно, для обеспечения работы предполагаемого термоядерного реактора, использующего в качестве ядерного горючего тритий, должна быть предусмотрена возможность воспроизводства трития. С этой целью рабочая зона рассматриваемой системы может быть окружена слоем лёгкого изотопа лития, в котором будет идти процесс воспроизводства:
6Li + n 3H + 4He.
Вероятность термоядерных реакций быстро возрастает с температурой, но даже в оптимальных условиях остаётся незначительной. По этой причине реакции синтеза должны происходить в полностью ионизованной плазме, нагретой до высокой температуры, где процессы ионизации и возбуждения атомов отсутствуют и дейтон - дейтонные или дейтон - тритонные столкновения рано или поздно завершаются ядерным синтезом.