Реакция синтеза атомных ядер. Проблема управляемых термоядерных реакций

Колоссальным источником энергии может служить реакция синтеза атомных ядер — образование из легких ядер более тяжелых. Удельная энергия связи ядер (см. рис. 342) резко увеличивается при переходе от ядер тяжелого водорода (дейтерия и трития ) к литию и особенно к гелию , т. е. реакции синтеза легких ядер в более тяжелые должны сопровождаться выделением большого количества энергии, что действительно подтверждается расчетами. В качестве примеров рассмотрим реакции синтеза:

(Q = 4,0 МэВ), (268.1 а)

(Q = 3,3 МэВ) (268.1 б),

(Q = 17,6 МэВ) (268.1 в),

(Q = 22,4 МэВ) (268.1 г),

где Q — энерговыделение.

Реакции синтеза атомных ядер обладают той особенностью, что в них энергия, выделяемая на один нуклон, значительно больше, чем в реакциях деления тяжелых ядер. В самом деле, если при делении ядра выделяется энергия примерно 200 МэВ, что составляет на один нуклон примерно 0,84 МэВ, то в реакции (268.1 в) эта величина равна 17,6/5 МэВ » 3,5 МэВ.

Оценим на примере реакции синтеза ядер дейтерия температуру ее протекания. Для соединения ядер дейтерия их надо сблизить до расстояния 2×10^-15 м, равного радиусу действия ядерных сил, преодолевая при этом потенциальную энергию отталкивания е²/(4pe_or) » 0,7 МэВ. Так как на долю каждого сталкивающегося ядра приходится половина указанной энергии, то средней энергии теплового движения, равной 0,35 МэВ, соответствует температура, приблизительно равная 2,6×10⁹ К. Следовательно, реакция синтеза ядер дейтерия может происходить лишь при температуре, на два порядка превышающей температуру центральных областей Солнца (примерно 1,3×10⁷ К).

Однако оказывается, что для протекания реакции синтеза атомных ядер достаточно температуры порядка 10⁷ К. Это связано с двумя факторами: 1) при температурах, характерных для реакций синтеза атомных ядер, любое вещество находится в состоянии плазмы, распределение частиц которой подчиняется закону Максвелла; поэтому всегда имеется некоторое число ядер, энергия которых значительно превышает среднее значение; 2) синтез ядер может происходить вследствие туннельного эффекта (см. § 221).

Реакции синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящие при сверхвысоких температурах (примерно 10⁷ К и выше), называются термоядерными реакциями.

Термоядерные реакции являются, по-видимому, одним из источников энергии Солнца и звезд. В принципе высказаны два предположения о возможных способах протекания термоядерных реакций на Солнце:

1) протонно-протонный, или водородный, цикл, характерный для температур (примерно 10⁷ К):

2) углеродно-азотный, или углеродный, цикл, характерный для более высоких температур (примерно 2×10⁷ К):

В результате этого цикла четыре протона превращаются в ядро гелия и выделяется энергия, равная 26,7 МэВ. Ядра же углерода, число которых остается неизменным, участвуют в реакции в роли катализатора.

Термоядерные реакции дают наибольший выход энергии на единицу массы «горючего», чем любые другие превращения, в том числе и деление тяжелых ядер. Например, количество дейтерия в стакане простой воды энергетически эквивалентно примерно 60 л бензина. Поэтому заманчива перспектива осуществления термоядерных реакций искусственным путем.

Впервые искусственная термоядерная реакция осуществлена в СССР (1953)., а затем (через полгода) в США в виде взрыва водородной (термоядерной) бомбы, являющегося неуправляемой реакцией. Взрывчатым веществом, в котором происходила реакция (268.1), является смесь дейтерия и трития, а запалом — «обычная» атомная бомба, при взрыве которой возникает необходимая для протекания термоядерной реакции температура.

Особый интерес представляет осуществление управляемой термоядерной реакции, для обеспечения которой необходимо создание и поддерживание в ограниченном объеме температуры порядка 10⁸ К. Так как при данной температуре термоядерное рабочее вещество представляет собой полностью ионизованную плазму (см. § 108), возникает проблема ее эффективной термоизоляции от стенок рабочего объема. На данном этапе развития считается, что основной путь в этом направлении — это удержание плазмы в ограниченном объеме сильными магнитными полями специальной формы.

Начало широкого международного сотрудничества в области физики высокотемпературной плазмы и управляемого термоядерного синтеза положено в знаменитом докладе И. В. Курчатова в Харуэле в 1956 г.

Хотя проблема управляемого термоядерного синтеза не решена до сих пор, но за последнее десятилетие в этом направлении достигнут значительный прогресс. Под руководством Л. А. Арцимовича коллектив ученых Института атомной энергии (ИАЭ) им. И. В. Курчатова осуществил широкий круг исследований, результатом которых явился пуск летом 1975 г. в ИЭА крупнейшей в мире термоядерной установки «Токамак-10» (Т-10).

В Т-10, как и во всех установках этого типа, плазма создается в тороидальной камере, находящейся в магнитном поле, а само плазменное образование — плазменный шнур — также имеет форму тора. В Т-10 плазма с температурой примерно (7 ¸ 8)×10⁶ К и плотностью примерно 10¹⁴ частиц/см³ создается в объеме, приблизительно равном 5 м³, на время около 1 с. Однако следует отметить, что до осуществления критерия Лоусона(Дж. Лоусон (р. 1923) — английский физик) — условия, необходимого для начала самоподдерживающейся термоядерной реакции,— еще остается значительный «путь»: примерно 20 раз по (произведение плотности частиц на время удержания плазмы) и примерно 10 раз по температуре. Результаты, полученные на Т-10, вместе с результатами, ожидаемыми на создаваемых установках (например, Т-20), по мере решения разного рода инженерно-технологических проблем служат базой для создания термоядерного реактора «Токамака».

Управляемый термоядерный синтез откр­вает человечеству доступ к неисчерпаемой «кладовой» ядерной энергии, заключенной в легких элементах. Наиболее заманчивой в этом смысле является возможность извлечения энергии из дейтерия, содержащегося в обычной воде. В самом деле, количество дейтерия в океанской воде составляет примерно 4×10¹³ т, чему соответствует энергетический запас 10¹⁷ МВт×год. Другими словами, эти ресурсы неограниченны. Остается только надеяться, что решение этих проблем — дело недалекого будущего.

Контрольные вопросы

• Какие частицы образуют ядро атома цинка? Сколько их?
• Атомное ядро «составили» из N свободных нуклонов (масса каждого нуклона равна m). Чему равны масса и удельная энергия связи этого ядра?
• Чем отличаются изобары и изотопы?
• Почему прочность ядер уменьшается при переходе к тяжелым элементам?
• Как объясняется сверхтонкая структура спектральных линий?
• Как и во сколько раз изменится число ядер радиоактивного вещества за время, равное трем периодам полураспада?
• Как (по какому закону) изменяется со временем активность нуклида?
• Как изменится положение химического элемента в таблице Менделеева после двух -распадов ядер его атомов? после последовательных одного -распада и двух -распадов?
• Как объясняется -распад на основе представлений квантовой теории?
• Как объясняется непрерывность энергетического спектра -частиц?
• Изменится ли химическая природа элемента при испускании его ядром -кванта?
• Какие явления сопровождают прохождение -излучения через вещество и в чем их суть?
• В чем суть эффекта Мёссбауэра? Каковы его возможные применения?
• Запишите схему е-захвата. Что сопровождает е-захват? В чем его отличие от -распадов?
• Чем объяснить выброс нейтрино (антинейтрино) при -распадах?
• По каким признакам можно классифицировать ядерные реакции?
• Под действием каких частиц ( -частиц, нейтронов) ядерные реакции более эффективны? Почему?
• Что представляет собой реакция деления ядер? Приведите примеры.
• Охарактеризуйте нейтроны деления. Какие они бывают?
• В результате какой реакции происходит превращение ядер в ядра ? Каковы ее перспективы?
• Что можно сказать о характере цепной реакции деления, если: 1) k > 1; 2) k = 1; 3) k < 1?
• По каким признакам можно классифицировать ядерные реакторы?
• Почему деление тяжелых ядер и синтез атомных ядер сопровождаются выделением большого количества энергии? Когда на один нуклон выделяется большая энергия? Почему?

Задачи

32.1. Определить удельную энергию связи для ядра , если масса его нейтрального атома равна 19,9272×10^-27 кг. [7,7 МэВ/нуклон]

32.2. Определить, какая часть (в процентах) начального количества ядер радиоактивного изотопа останется нераспавшейся по истечении времени t, равного трем средним временам жизни радиоактивного ядра. [5%]

32.3. Период полураспада радиоактивного изотопа составляет 24 ч. Определить время, за которое .распадется начального количества ядер. [10.5 ч]

32.4. Определить, поглощается или выделяется энергия при ядерной реакции . Определить эту энергию. (18,4 МэВ]

32.5. В процессе осуществления реакции энергия фотона была равна 2,02 МэВ. Определить полную кинетическую энергию позитрона и электрона в момент их возникновения. [1 МэВ]

32.6. В ядерном реакторе на тепловых нейтронах среднее время жизни одного поколения нейтронов составляет Т = 90 мс. Принимая коэффициент размножения нейтронов k = 1,003, определить период реактора, т. е. время, в течение которого поток тепловых нейтронов увеличится в е раз. [ = Т/( k – 1) = 30 с]