Реакции синтеза

Солнце заметно не охлаждается с течением времени, несмотря на огромное количество энергии, которое оно теряет. Этот факт был загадочным для физиков до тех пор, пока они не открыли существование ядерной реакции. В 1938 г. Ханс Бете выдвинул гипотезу, что за большие количества энергии, высвобождаемые на Солнце и в других звездах, ответственны ядерные реакции, в которых два легких ядра объединяются или сливаются и образуют одно более тяжелое ядро. Такие реакции называются реакциями ядерного синтеза.

Как видно из кривой энергии связи ядер, объединение двух легких ядер, относящихся к быстро восходящему участку этой кривой, в одно более тяжелое ядро дает ядро с большей энергией связи в расчете на один нуклон, чем в исходных легких ядрах. Так как получается большая энергия связи, суммарная масса исходных ядер, участвующих в реакции должна уменьшиться, в ре­зультате энергетический эффект получается положительным и в реакции синтеза энергия действительно будет высвобождаться.

При высоких температурах и давлениях, существующих внутри Солнца и звезд, молекулы вещества диссоциированы на атомы, а высокоионизованные атомы образуют горячую и активную плазму. В этих условиях кулоновское отталкивание ядер может быть, легко преодолено и ядра могут сливаться друг с другом. В результате вы­свобождается огромная энергия.

В связи с тем, что водород — самый распространенный элемент во Вселенной, Бете предположил, что в звездах осуществляется так называемый «углеродный цикл». Считается, что это наибо­лее важная цепочка ядерных реакций, при которой энергия выделяется за счет реакции деления ядер:

а) + ® +g;

b) ® + + n;

c) + ® +g; (274)

d) + ® +g;

e) ® + +g;

f) + ® + .

Рассматривая внимательно эту цепочку реакций, убеждаемся, что ядро углерода выступает в ней как катализатор; с него це­почка реакций начинается, но им она и заканчивается. В приведенной цепочке ядерных реакций потребляется четыре ядра водорода (про­тона) и образуется 3 g-кванта, 2 нейтрино, 2 позитрона и одно ядро гелия. Так что по существу в углеродном цикле идет реакция

4 ® +2 + 2n+ Q

Произведя расчёты, можно показать что Q = 25,7 МэВ. Эту энергию уносят с собой g-кванты, нейтроны и ядро гелия, т. е. a-частица.

Еще в одном предполагаемом цикле ядерных реакций слияния участвуют в основном протоны, и поэтому он называется «протон-протонным циклом». В нем происходит следующая цепочка ядерных реакций:

а) + ® + + n;

в) + ® +g; (275)

с) + ® +2

В этой цепочке реакции а) и b) должны произойти по два раза, чтобы получились два ядра , нужные для реакции c). В результате всех этих реакций из четырех ядер водорода (протонов) образуются одна a-частица, 2 позитрона и 2 g-кванта. Энергия, выделяемая в этом цикле, равна 26,2 МэВ.

На рисунке 94 схематически изображены другие важные ядерные реакции синтеза:

+ ® + + Q;

+ ® + + Q.

Ядерную реакцию слияния в принципе можно использовать для создания контролируемого источника энергии, но для этого необходимо решить целый ряд серьезных и трудных технических про6лем. И одна из самых сложных— создание «сосуда», в котором можно было бы удержать очень горячую плазму (~10⁷ К) при высоком давлении, необходимую для начала ядерной реакции синтеза. Так как практически любой сосуд в обычном смысле этого слова расплавился бы и испарился в присутствии такой плазмы, в настоящее время предпринимаются попытки удержать плазму и контролировать ее поведение с помощью мощного магнитного поля специальной формы. Исследователи надеются, что при соответствующей напряженности поля и его форме в такой «магнитной бутылке» удастся нагреть плазму до требуемой температуры и довести до таких высоких давлений, при которых может начаться реакция синтеза. Другая интересная возможность — использовать мощный (максимальная мощность порядка 50 ГВт) импульсный лазер на неодимовом стекле; предполагают, что с помощью такого лазера удастся повысить температуру плазмы до 7- 10 млн К. Реакция ядерного синтеза должна будет идти в мишенях из твердого дейтерия в виде мелких крупинок.