Термоядерные реакции

Термоядерные реакции – экзотермические реакции синтеза легких ядер, эффективно протекающие при сверхвысоких температурах (порядка 10⁷ – 10⁹ К), самопродолжающиеся за счет значительного выделения в них энергии. Высокие температуры в них необходимы для того, чтобы кинетическая энергия теплового движения ядер оказалась достаточной для преодоления кулоновского потенциального барьера ядер, сближения на расстояние порядка действия ядерных сил и последующего возбуждения реакции синтеза, сопровождающегося выделением энергии в виде избыточной кинетической энергии продуктов реакции.

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 (см. 8.1.2). 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 лёгких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

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. В качестве примера рассмотрим некоторые реакции синтеза:

(Q=4 МэВ);

(Q=3.3 МэВ); (8.48.55)

(Q=17.6 МэВ);

(Q=22.4 МэВ),

где – выделившаяся энергия. 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. Термоядерные реакции дают наибольший вклад энергии на единицу массы “горючего”, чем любые другие превращения. Например, количество дейтерия в стакане простой воды энергетически эквивалентно примерно 60 л бензина. Понятен интерес к осуществлению управляемой термоядерной реакции.

Управляемый термоядерный синтез, основой которого являются термоядерные реакции, потенциально представляет собой неистощимый источник энергии, является экологически и экономически перспективным направлением энергетики будущего. Для управляемого термоядерного синтеза наиболее важной представляется реакция слияния ядер дейтерия и трития с образованием ядра гелия и выделением 17,6 МэВ энергии на один акт синтеза. Для инициирования реакции синтеза необходимо нагреть смесь дейтерия и трития до температуры более 100 млн градусов. При этой температуре смесь представляет собой полностью ионизированную плазму, возникает проблема удержания плазмы и эффективной термоизоляции ее от стенок рабочего объема. В 1950 г. академики И.Е.Тамм и А.Д.Сахаров предложили идею удержания и термоизоляции плазмы сильным магнитным полем специальной конфигурации, создаваемым в тороидальной камере магнитными катушками. Эта идея была положена в основу конструкции термоядерных установок, получивших название токамаков (сокращение от «тороидальная камера с магнитными катушками»).

Первые экспериментальные исследования этих систем в СССР начались в 1956 г. под руководством акад. Л.А.Арцимовича. Началом современной эпохи в изучении термоядерного синтеза следует считать 1969 г., когда на российской термоядерной установке «Токамак-3» в плазме объемом 1 м³ была достигнута температура 3 млн К. В 1975 г. в Институте атомной энергии была запущена крупнейшая в мире термоядерная установка «Токамак-10», в которой была получена плазма с температурой 7-8 млн К. в объеме 5 м³. В настящее время на существующих установках типа токамак достигнуты температуры порядка 150 млн К (европейская установка JET – Joint Europpean Torus). С 1988 г. СССР (с 1992 г. – Россия), США, странами Европы и Японией совместно разрабатывается проект Международного термоядерного экспериментального реактора - токамака ITER, который должен стать первой крупномасштабной энергетической установкой, рассчитанной на длительную эксплуатацию. Мощность реактора должна составлять не менее 500 МВт. Запуск реактора планируется осуществить в 2018 г., а получение водородно-дейтериевой плазмы – в 2026 г.

Термоядерные реакции играют чрезвычайно важную роль в эволюции Вселенной. Во-первых, энергия излучения Солнца и звезд имеет термоядерное происхождение. Во-вторых, термоядерные реакции являются одним из основных механизмов нуклеосинтеза.

Для нормальных гомогенных звезд, в том числе Солнца, ядерный синтез осуществляется по так называемому протон-протонному, или водородному циклу. Водородный цикл (протон-протонная цепочка) – последовательность термоядерных реакций в звездах, приводящая к превращению водорода в гелий без участия катализатора; основной источник энергии звезд с массой М <1,2 М_с (М_с – масса Солнца) на начальной стадии их существования. Суммарный результат реакций, в которых происходит образование ядер гелия из водорода, можно записать так:

4 2e⁺ + 2 + 26,73 МэВ.

Разумеется, такое превращение происходит не сразу, а в несколько этапов. Наиболее важными реакциями водородного цикла являются следующие:

Конечным результатом этой последовательности реакций (протон-протонного или водородного цикла) является превращение четырех ядер водорода в ядро атома гелия. Полная энергия, выделяющаяся при такой реакции, равна 26,73 МэВ. Нейтрино, образующиеся при этой реакции, слабо взаимодействуют с веществом и покидают звезду, унося свою энергию – примерно 0,5 МэВ (так называемые солнечные нейтрино). Эта реакция может идти при температурах порядка 13 млн К. По этой схеме происходит примерно 70% всех реакций водородного цикла на Солнце. В 30% случаев может соединиться с и тогда реакции пойдут по следующей схеме:

На Солнце водородный цикл эффективнее углеродно-азотного и обеспечивает 98,4% энерговыделения.

Если в звезде имеется некоторое количество углерода, то может осуществиться углеродно-азотный цикл – серия термоядерных реакций, приводящая к синтезу гелия из водорода с участием азота и углерода в качестве катализаторов. Углеродно-азотный цикл открыт независимо друг от друга Г.Бете и немецким физиком и астрофизиком К. фон Вейцзеккером. Этот цикл состоит из шести реакций:

Конечным результатом этой цепочки является превращение четырех протонов в одно ядро гелия с выделением 26,73 МэВ энергии, при этом 1,7 МэВ уносится с нейтрино. Так как в этой последовательности реакций участвуют ядра углерода и азота, то ее и называют углеродно-азотным циклом. Углеродно-азотный цикл является основным источником энергии звезд, масса которых более 1,2 массы Солнца. В центре этих звезд температура около 20 млн. К, и углеродно-азотный цикл оказывается эффективнее водородного. Углеродно-азотный цикл протекает и на Солнце, но он обеспечивает только около 1,6% энерговыделения. В недрах Солнца каждую секунду сгорает 3,6∙10³⁸ протонов, т.е. около 630 млн. т водорода превращаются в гелий. При этом мощность излучения Солнца составляет 3,86∙10²⁶ Вт.

Контрольные вопросы для самоподготовки студентов:

1. Какие вы знаете виды радиоактивности?

2. Закон радиоактивного распада. Правила смещения.

3. Закономерности -распада.

4. Что такое нейтрино? При каком распаде оно испускается?

5. Какие явления сопровождают прохождение - излучения через вещество и в чем их суть?

6. Типы ядерных реакций.

7. Под действием каких частиц ядерные реакции более эффективны?

8. Что представляет собой реакция деления ядер?

9. Почему деление тяжелых ядер и синтез атомных ядер сопровождается выделением большого количества энергии?

10. По каким признакам можно классифицировать ядерные реакторы?

Литературные источники:

1. Трофимова, Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. – М.: ACADEMIA, 2008.

2. Савельев, И.В. Курс общей физики: учеб. пособие для втузов: в 3-х томах / И.В.Савельев. – СПб.: Спец. лит., 2005.