Термоядерные реакции

Термоядерные реакции – реакции слияния (синтеза) легких атомных ядер в боле тяжелые, происходящие при очень высоких температурах (более 10⁸ К).Термоядерные реакции это процесс образования плотно упакованных ядер из более рыхлых легких ядер. Это экзоэнергетические реакции, идущие с выделением в продуктах реакции избыточной кинетической энергии, равной увеличению полной энергии связи.

Для всех реакций синтеза ядер необходимо сблизить реагирующие ядра на расстояние радиуса действия ядерных сил. Для этого следует преодолеть электростатический кулоновский барьер отталкивания ядер.На рис 1.15 показан график зависимости потенциальной энергии от расстояния между ядрами.

Рис.1.15.Потенциальная энергия как функция расстояния между ядрами.

Чтобы преодолеть кулоновский барьер, необходима энергия сталкивающихся ядер ~ 0,1 Мэв. Механизмы преодоления кулоновского барьера следующие:

1.Бомбардировка ядер пучком дейтронов бесперспективна. Энергия дейтронов будет тратиться на ионизацию и возбуждение электронов в атомах мишени. Эффективное сечение взаимодействия дейтронов с электронами σ_e ~ 10^-16 см², а с ядрами σ_я ~ 10^-24 см² σ_e>>σ_я .

2.Мюонный катализ (теоретически возможен, экспериментально не реализован). Кулоновское поле ядра можно экранировать мюоном μ(«тяжелым электроном» с временем жизни 2,2 10^-6 сек) на боровской орбите. Размер атома уменьшается в 212 раз, т.к. . Образуются мезомолекулярные ионы. DH_μ. Возможна реакция

Мэв.

3. «Смятие» внешней широкой части потенциального кулоновского барьера (см. рис.1.15). Осуществляется силой тяготения создающей колоссальное давление и плотность плазмы >> 10⁴ г/см³ в звездах.

4. При нагреве вещества до температуры ядер Т_Я~10⁹ К, (1эв соответствует 11 000 К , 0,1Мэв = 10⁵эв ~ 10⁹К). Вещество при таких температурах образует высокотемпературную плазму. Механизм реализован в земных условиях.

Примеры термоядерных реакций

1.Реакция синтеза изотопов водорода дейтрона и тритона с образованием ядра гелия и нейтрона:

Мэв

или (²d + ³t→ ⁴He + ¹n+ Q)

Сечение реакции σ_маx=5 барн. Энергия налетающего дейтрона Т_d =0,1 Мэв. Энерговыделение на один нуклон в термоядерной реакции синтеза (q_cин Мэв/нуклон), превышает выделение энергии на 1 нуклон в ядерной реакции деления урана-235 (q_дел=200/235=0,85 Мэв/нуклон), в 4 раза.

2. Реакция синтеза двух дейтронов:

Мэв,1 выходной канал: сечение реакции σ_маx=0,09 барн, Т_d =1 Мэв.

Мэв,2 выходной канал: сечение реакции σ_маx=0,16 барн, Т_d =2 Мэв.

Сечения термоядерных реакций при малых значениях энергий (Е< 200 кэв) участвующих частиц оценивается по формуле Гамова

где А и В постоянные.

Скорости термоядерных реакций

Термоядерные реакции происходят в результате парных столкновений между ядрами. Число столкновений в единице объема в единицу времени равно:

N₁₂=n₁ n₂ <v σ(v)>

где n_1, n_{2 –} концентрации ядер двух сортов, v- относительная скорость сталкивающихся ядер.

Зависимость интенсивности термоядерных реакций от температуры определяется «скоростным» множителем <v σ(v)> ~ exp(- const / T^1/3).