Реакция синтеза.

Термоядерную реакцию слияния двух легких ядер можно понять, обратившись к рис.1.3. Очень легкие ядра связаны значительно менее прочно, чем более тяжелые (удельная энергия связи у легких ядер растет с увеличением массового числа А). При объединении двух легких ядер в одно более тяжелое должен освобождаться избыток энергии покоя - ядерная реакция синтеза. Эту энергию легко вычислить с помощью формул (1.6) или (1.7). Примером термоядерной реакции может служить реакция слияния ядер дейтерия:

H + H ® H + p + 4,0 МэВ (4.4)

Реакции ядерного синтеза из-за наличия кулоновского барьера могут развиваться лишь на частицах сверхвысоких энергий, соответствующих температурам T ~ 10⁸ ¸ 10⁹ K, поэтому называются термоядерными. При таких температурах вещество находится в состоянии плазмы (смесь электронов и ядер). Энерговыделение в процессе синтеза настолько велико, что при большой концентрации n взаимодействующих ядер его может оказаться достаточно для возникновения самоподдерживающейся термоядерной реакции. В этом случае интенсивное тепловое движение ядер поддерживается за счет выделяющейся в реакции энергии синтеза, а сама реакция - за счет теплового движения.

Можно представить три способа осуществления самопод-держивающейся термоядерной реакции:

· медленная термоядерная реакция, самопроизвольно происходящая в недрах Солнца и других звезд;

· быстрая термоядерная реакция неуправляемого характера,

происходящая при взрыве водородной бомбы;

· управляемая термоядерная реакция.

12.4.1. Термоядерные реакции на Солнце.

Считается, что реакции синтеза являются источниками звездной (и солнечной в том числе) энергии, компенсирующими их излучение.

Согласно современным представлениям, Солнце богато водородом (~ 50 % массы Солнца), температура в его недрах достигает ~ 15 миллионов градусов, а количество реагирующего вещества столь колоссально, что оно удерживается и сильно уплотняется гравитационными силами. В этих условиях термоядерные реакции сводятся, в конечном итоге, к преобразованию четырех протонов (ядер атомов водорода) в ядро гелия:

4 p ® He + 2 e + 2 n_e + Q.

Этот результат может получиться двумя путями:

1) Протон-протонная цепочка (водородный цикл, характерный для температур ~ 10⁷ К).

p + p ® ²₁H + e + n_e ,

H + p ® He + g, (t_ср ~ 5,7 с),

He + He ® He +2 p.

(Эти реакции входят в цикл дважды).

2) Углеродно-азотный цикл, характерный для более высоких температур (~ 2×10⁷ К). В цикл входит шесть реакций (здесь не приводятся). В этом цикле ядро С играет роль катализатора.

12.4.2. Неуправляемая термоядерная реакция

Условия, близкие к тем, какие реализуются в недрах Солнца, были осуществлены в водородной (термоядерной) бомбе.

В качестве ядерного взрывчатого вещества в такой бомбе чаще всего используется смесь дейтерия и лития:

H + Li ® 2 He + 22,4 МэВ.

В центральной части водородной бомбы находится расщепляющийся материал (например, уран), подобно тому, как это показано на рис. 4.3, который окружен оболочкой из термоядерного вещества - дейтерида лития. Высокая температура и плотность, необходимые для начала процесса термоядерного синтеза, достигаются при помощи взрыва центральной части, служащей детонатором. Термоядерное вещество бомбы окружают инерционной оболочкой, предохраняющей его от преждевременного разбрасывания (до того, как оно прореагирует). В процессе совершенствования водородных бомб была создана нейтронная бомба, разрушающая сила которой эквивалентна ~ 10⁸ тоннам обычной взрывчатки, но с усиленным нейтронным излучением.

12.4.3. Проблема управляемого термоядерного синтеза (УТС)

Термоядерные реакции дают наибольший выход энергии на единицу массы «горючего», чем любые другие источники энергии, в том числе и реакции деления.

Для того чтобы с помощью ядерного синтеза получить полезную энергию, он должен быть управляемым. Наиболее перспективна в этом плане реакция между тяжелыми изотопами водорода:

H + H ® He + n + 17,6 МэВ (4.5)

Эта реакция обладает высоким энерговыделением, имеет достаточно большое эффективное сечение (s ~ 5 барн) и протекает достаточно быстро. Однако для практического осуществления УТС необходимо решить ряд проблем.

Тритий ( Н) радиоактивен и не встречается в природе, поскольку имеет период полураспада Т_1/2=12,5 лет. Следовательно, для обеспечения работы термоядерного реактора, использующего тритий в качестве горючего, должна быть предусмотрена возможность его воспроизводства. С этой целью, рабочая зона реактора может быть окружена, например, слоем легкого изотопа лития, в котором будет идти реакция:

Li + n ® He + H + 4,8 МэВ.

Далее, необходимо найти способы создания и поддержания температур в миллионы градусов. Кроме того, необходимо, чтобы концентрация n частиц в высокотемпературной плазме и время t их удержания в плазме удовлетворяли определенному условию, называемому критерием Лоусона:

nt > 10¹⁴ c/cм³ (Т > 10⁸ K) для реакции (4.5).

Одна из технических проблем УТС связана с тем, что высокотемпературную плазму нужно эффективно термоизолировать от стенок рабочего объема, чтобы они не расплавились и не испарились (ни одно вещество не может остаться твердым при температуре термоядерной реакции). Российские академики А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм указали метод решения этой проблемы: изолировать горячую плазму с помощью сильных магнитных полей специальной формы.

Проблема УТС, однако, не решена до сих пор, хотя за последнее десятилетие достигнут значительный прогресс. Так, на термоядерной установке «Токамак-10» (тороидальная камера с магнитными катушками), созданной в Институте атомной энергии, и на установке PLT (США) достигнуты следующие параметры плазмы:

nt ~ 10¹⁴ c/cм³ (t ~ 1 c), Т > 8×10⁷ K при объеме плазмы ~ 5 м³.

Однако, критерий Лоусона, необходимый для начала самоподдерживающейся реакции, еще не достигнут, то есть, при высоких плотности и температуре плазма оказывается неустойчивой и, наоборот, устойчивая высокотемпературная плазма имеет слишком низкую плотность.

В последнее время появилась уверенность, что указанные трудности можно будет преодолеть, если существенно увеличить объем плазмы. Международными усилиями создается установка INTOR с объемом плазмы ~ 200 м³.

Другой возможный путь осуществления УТС - сверхбыстрый нагрев небольших (диаметром ~ 1мм) «таблеток» из конденсированного термоядерного топлива путем всестороннего облучения их короткими импульсами мощного лазерного излучения (или пучками релятивистских электронов).

Над проблемой УТС работают тысячи ученых. Интерес к ней объясняется тем, что на земном шаре поистине неисчерпаемы запасы термоядерного топлива - дейтерия: в океанской воде его ~ 4×10¹³ тонн (количество H в стакане обычной воды энергетически эквивалентно ~ 60 литрам бензина).