Реакция синтеза атомных ядер

Колоссальным источником энергии может служить реакция синтеза атомных ядер – образование из легких ядер более тяжелых. Удельная энергия связи ядер (см. рис. 39) резко увеличивается при переходе от ядер тяжелого водорода (дейтерия H и трития H) к литию Li и особенно к гелию He:

H + H → H + p (Q = 4,0 МэВ),

H + H → He + n (Q = 3,3 МэВ),

H + H → He + n (Q = 17,6 МэВ), (268.1)

Li + H → He + He (Q = 22,4 МэВ),

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 U выделяется энергия примерно 200 МэВ, что составляет на один нуклон примерно 0,84 МэВ, то в реакции (268.1) эта величина равна 17,6/5 МэВ ≈ 3,5 МэВ.

Оценим на примере реакции синтеза ядер дейтерия H 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/(4πε₀r) ≈ 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.

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):

p + p → H + e + ν_e,

H + p → He + γ,

He + He → He + 2 p.

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

C + p → N + γ,

N → C + e + ν_e,

C + p → N + γ,

N + p → O + γ,

O → N + e + ν_e,

N + p → C + He.

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 созданий и поддерживание в ограниченном объеме температуры порядка 10⁸ К. Так как при данной температуре термоядерное рабочее вещество представляет собой полностью ионизованную плазму, 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.