1.9. Термоядерные реакции.

Термоядерные реакции на Солнце и звездах. Водородный цикл. Углеродный цикл. Нуклеосинтез. Термоядерный взрыв. Управляемый термоядерный синтез

Термоядерные реакции – реакции слияния (синтеза) легких атомных ядер в более тяжелые, происходящие при очень высоких температурах (более 10 8 К ). Термоядерные реакции – это процесс образования плотно упакованных ядер из более рыхлых легких ядер. Это экзоэнергетические реакции, идущие с выделением в продуктах реакции избыточной кинетической энергии, равной увеличению полной энергии связи.

Для всех реакций синтеза ядер необходимо сблизить реагирующие ядра на расстояние радиуса действия ядерных сил. Для этого следует преодолеть электростатический кулоновский барьер отталкивания ядер. На рис 1.15 показан график зависимости потенциальной энергии от расстояния между ядрами.

Рис. 1.15. Потенциальная энергия межъядерного взаимодействия как функция расстояния между ядрами. Штриховкой показано «срезание» барьера отталкивания на боровском радиусе отрицательного мюона в кулоновском поле ядра

Чтобы преодолеть кулоновский барьер, необходима энергия сталкивающихся ядер ~ 0,1 МэВ. Механизмы преодоления кулоновского барьера следующие:

1. Бомбардировка ядер пучком дейтронов бесперспективна. Энергия дейтронов будет тратиться на ионизацию и возбуждение электронов в атомах мишени. Эффективное сечение взаимодействия дейтронов с электронами σ e ~ 10 -16 см 2 , а с ядрами σ я ~ 10 -24 см 2 σ e >> σ я.

2. Мюонный катализ (теоретически возможен, экспериментально не реализован). Кулоновское поле ядра можно экранировать мюоном («тяжелым электроном» с временем жизни 2,2 . 10 -6 сек) на боровской орбите. Размер атома уменьшается в 212 раз, т.к. . Образуются мезомолекулярные ионы. DH μ . Возможна реакция

3. «Смятие» внешней широкой части потенциального кулоновского барьера показано штриховкой (на рис.1.15). Осуществляется силой тяготения , создающей колоссальное давление при плотности плазмы >> 10 4 г/см 3 в звездах.

4. При нагреве вещества до температуры ядер Т Я ~ 10 9 К, (1эВ соответствует 11 000 К, 0,1МэВ = 10 5 эВ ~ 10 9 К). Вещество при таких температурах образует высокотемпературную плазму. Механизм реализован в земных условиях.

Примеры термоядерных реакций:

1. Реакция синтеза изотопов водорода дейтрона и тритона с образованием ядра гелия и нейтрона:

Сечение реакции σ ма x = 5 барн. Энергия налетающего дейтрона Т d = 0,1 МэВ. Энерговыделение на один нуклон в термоядерной реакции синтеза ( МэB/нуклон) превышает выделение энергии на 1 нуклон в ядерной реакции деления урана-235 (q дел = 200/235 = 0,85 МэB/нуклон) в 4 раза.

2. Реакция синтеза двух дейтронов:

1-й выходной канал: сечение реакции σ ма x = 0,09 барн, Т d = 1 МэВ.

2-й выходной канал: сечение реакции σ ма x = 0,16 барн, Т d = 2 МэВ.

Сечения термоядерных реакций при малых значениях энергий (Е
,

где А и В постоянные.

Скорости термоядерных реакций

Термоядерные реакции происходят в результате парных столкновений между ядрами. Число столкновений в единице объема в единицу времени равно

N 12 = n 1 n 2 v σ (v )> ,
Термоядерный взрыв

Искусственная термоядерная реакция реализуется в земных условиях в неуправляемом режиме в термоядерном (водородном) устройстве, где температура > 10 7 K создается взрывoм плутониевого или уранового детонатора. Вещество дейтери – гидрид лития . Время разлета составляет микросекунды. Вероятная схема реакций

МэB, (1.94)

МэB. (1.97)
Нейтроны для реакции (1.97) происходят от деления ядер . Основная энергия выделяется в реакциях (1.96) и (1.97), которые образуют цикл, взаимно поддерживая друг друга и оставляют без изменения количество нейтронов и ядер трития. Реакции (1.94) и (1.95) служат начальным источником нейтрон и ядер трития. Скорость реакции (1.94) и (1.95) в 100 раз меньше, чем скорость реакций (1.96) и (1.97) .
Управляемый термоядерный синтез (УТС)

Управляемый термоядерный синтез – процесс слияния легких атомных ядер , проходящий с выделением энергии при высоких температурах в регулируемых управляемых условиях. УТС до сих пор не реализован (2010г.).

Для реакции синтеза необходимо сблизить ядра на расстояние ~ 10 –11 см, после чего начинается слияние ядер за счет туннельного эффекта. Для протонов необходима энергия 10 кэB, что соответствует Т = 10 8 К.

Все работы по УТС основаны на осуществлении реакции

Воспроизводство трития можно осуществить, окружив рабочую зону слоем лития, и использовать реакцию

Пусть τ – среднее время удержания частиц в активной зоне , n – концентрация частиц (ядер). Пусть коэффициент преобразования в электрическую энергию энергии ядерной реакции. энергии электромагнитного излучения плазмы и тепловой энергии частиц плазмы одинаков и равен . В условиях стационарной работы системы при нулевой полезной мощности уравнение баланса энергии в термоядерном реакторе имеет вид нагревание очень малых объемов термоядерного вещества.

Работы по УТС продолжаются путем создания термоядерных реакторов на основе токамака (тороидальной камеры с дейтериево-тритьевой плазмой и тороидальным магнитным полем) и стелларатора (тороидальная система с дейтериево-тритьевой плазмой и магнитным полем, создаваемым внешними обмотками).

Схема Международного термоядерного реактора – экспериментального реактора-токамака ИТЭР представлена на рис.1.17. Его параметры: большой радиус плазмы 8,1 м, малый радиус плазмы 3 м, тороидальное магнитное поле на оси 5,7 Тл, номинальный ток плазмы 21 МА, номинальная термоядерная мощность с дейтерий-тритьевым топливом 1500 МВт. Реактор содержит следующие основные узлы: соленоид 1, индуцированное или электрическое поле осуществляет пробой газа и нагревает плазму , первая стенка 9 обращена к высокотемпературной плазме и воспринимает поток тепла в виде излучения и частиц, бланкет 2 – защита, в которой воспроизводится тритий, сгоревший в плазме, катушки 8 из сверхпроводника NB 3 Sn создают тороидальное магнитное поле. Дивертор 10 служит для отвода тепла из плазмы в виде потока заряженных частиц и откачки продуктов реакции гелия и протия (водорода). Вакуумная камера 4 и средства откачки 5 создают высокий вакуум в рабочей камере реактора , где создается плазма. Строительство намечено во Франции (2010 г.). Участники проекта: Россия, США, Евроатом, Япония. Стоимость порядка 2 млрд. долл.

Рис.1.17. Проект международного термоядерного реактора ИТЭР

Вы уже знаете, что в середине XX в. возникла проблема поиска новых источников энергии. В связи с этим внимание учёных привлекли термоядерные реакции.

• Термоядерной называется реакция слияния лёгких ядер (таких как водород, гелий и др.), происходящая при температурах от десятков до сотен миллионов градусов

Создание высокой температуры необходимо для придания ядрам достаточно большой кинетической энергии - только при этом условии ядра смогут преодолеть силы электрического отталкивания и сблизиться настолько, чтобы попасть в зону действия ядерных сил. На таких малых расстояниях силы ядерного притяжения значительно превосходят силы электрического отталкивания, благодаря чему возможен синтез (т. е. слияние, объединение) ядер.

В § 58 на примере урана было показано, что при делении тяжёлых ядер может выделяться энергия. В случае с лёгкими ядрами энергия может выделяться при обратном процессе - при их синтезе. Причём реакция синтеза лёгких ядер энергетически более выгодна, чем реакция деления тяжёлых (если сравнивать выделившуюся энергию, приходящуюся на один нуклон).

Примером термоядерной реакции может служить слияние изотопов водорода (дейтерия и трития), в результате чего образуется гелий и излучается нейтрон:

Это первая термоядерная реакция, которую учёным удалось осуществить. Она была реализована в термоядерной бомбе и носила неуправляемый (взрывной) характер.

Как уже было отмечено, термоядерные реакции могут идти с выделением большого количества энергии. Но для того чтобы эту энергию можно было использовать в мирных целях, необходимо научиться проводить управляемые термоядерные реакции. Одна из основных трудностей в осуществлении таких реакций заключается в том, чтобы удержать внутри установки высокотемпературную плазму (почти полностью ионизированный газ), в которой и происходит синтез ядер. Плазма не должна соприкасаться со стенками установки, в которой она находится, иначе стенки обратятся в пар. В настоящее время для удерживания плазмы в ограниченном пространстве на соответствующем расстоянии от стенок применяются очень сильные магнитные поля.

Термоядерные реакции играют важную роль в эволюции Вселенной, в частности в преобразованиях химических веществ в ней.

Благодаря термоядерным реакциям, протекающим в недрах Солнца, выделяется энергия, дающая жизнь обитателям Земли.

Наше Солнце излучает в пространство свет и тепло уже почти 4,6 млрд лет. Естественно, что во все времена учёных интересовал вопрос о том, что является «топливом», за счёт которого на Солнце вырабатывается огромное количество энергии в течение столь длительного времени.

На этот счёт существовали разные гипотезы. Одна из них заключалась в том, что энергия на Солнце выделяется в результате химической реакции горения. Но в этом случае, как показывают расчёты, Солнце могло бы просуществовать всего несколько тысяч лет, что противоречит действительности.

Оригинальная гипотеза была выдвинута в середине XIX в. Она состояла в том, что увеличение внутренней энергии и соответствующее повышение температуры Солнца происходит за счёт уменьшения его потенциальной энергии при гравитационном сжатии. Она тоже оказалась несостоятельной, так как в этом случае срок жизни Солнца увеличивается до миллионов лет, но не до миллиардов.

Предположение о том, что выделение энергии на Солнце происходит в результате протекания на нём термоядерных реакций, было высказано в 1939 г. американским физиком Хансом Бете.

Им же был предложен так называемый водородный цикл , т. е. цепочка из трёх термоядерных реакций, приводящая к образованию гелия из водорода:

где - частица, называемая «нейтрино», что в переводе с итальянского означает «маленький нейтрон».

Чтобы получились два ядра , необходимые для третьей реакции, первые две должны произойти дважды.

Вы уже знаете, что в соответствии с формулой Е = mс 2 с уменьшением внутренней энергии тела уменьшается и его масса.

Чтобы представить, какое колоссальное количество энергии теряет Солнце в результате превращения водорода в гелий, достаточно знать, что масса Солнца ежесекундно уменьшается на несколько миллионов тонн. Но, несмотря на потери, запасов водорода на Солнце должно хватить ещё на 5-6 миллиардов лет.

Такие же реакции протекают в недрах других звёзд, масса и возраст которых сравнимы с массой и возрастом Солнца.

Вопросы

1. Какая реакция называется термоядерной? Приведите пример реакции.
2. Почему протекание термоядерных реакций возможно только при очень высоких температурах?
3. Какая реакция энергетически более выгодна (в расчёте на один нуклон): синтез лёгких ядер или деление тяжёлых?
4. В чём заключается одна из основных трудностей при осуществлении термоядерных реакций?
5. Какова роль термоядерных реакций в существовании жизни на Земле?
6. Что является источником энергии Солнца по современным представлениям?
7. На какой период должно хватить запаса водорода на Солнце по подсчётам учёных?

Это любопытно...

Элементарные частицы. Античастицы

Частицы, из которых состоят атомы различных веществ - электрон, протон и нейтрон, - назвали элементарными. Слово «элементарный» подразумевало, что эти частицы являются первичными, простейшими, далее неделимыми и неизменяемыми. Но вскоре оказалось, что эти частицы вовсе не являются неизменяемыми. Все они обладают способностью превращаться друг в друга при взаимодействии.

Поэтому в современной физике термин «элементарные частицы» обычно употребляется не в своём точном значении, а для наименования большой группы мельчайших частиц материи, не являющихся атомами или ядрами атомов (исключение составляет протон, представляющий собой ядро атома водорода и в то же время относящийся к элементарным частицам).

В настоящее время известно более 350 различных элементарных частиц. Частицы эти очень разнообразны по своим свойствам. Они могут отличаться друг от друга массой, знаком и величиной электрического заряда, временем жизни (т. е. временем с момента образования частицы и до момента её превращения в какую-либо другую частицу), проникающей способностью (т. е. способностью проходить сквозь вещество) и другими характеристиками. Например, большинство частиц являются «коротко-живущими» - они живут не более двух миллионных долей секунды, в то время как среднее время жизни нейтрона, находящегося вне атомного ядра, 15 мин.

Важнейшее открытие в области исследования элементарных частиц было сделано в 1932 г., когда американский физик Карл Дейвид Андерсон обнаружил в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле, след неизвестной частицы. По характеру этого следа (по радиусу кривизны, направлению изгиба и пр.) учёные определили, что он оставлен частицей, которая представляет собой как бы электрон с положительным по знаку электрическим зарядом. Эту частицу назвали позитроном.

Интересно, что за год до экспериментального открытия позитрона его существование было теоретически предсказано английским физиком Полем Дираком (существование именно такой частицы следовало из выведенного им уравнения). Более того, Дирак предсказал так называемые процессы аннигиляции (исчезновения) и рождения электрон-позитронной пары. Аннигиляция заключается в том, что электрон и позитрон при встрече исчезают, превращаясь в γ-кванты (фотоны). А при столкновении γ-кванта с каким-либо массивным ядром происходит рождение электрон-позитронной пары.

Оба эти процесса впервые удалось пронаблюдать на опыте в 1933 г. На рисунке 166 показаны треки электрона и позитрона, образовавшихся в результате столкновения γ-кванта с атомом свинца при прохождении γ-лучей сквозь свинцовую пластинку. Опыт проводился в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле. Одинаковая кривизна треков свидетельствует об одинаковой массе частиц, а искривление в разные стороны - о противоположных знаках электрического заряда.

Рис. 166. Треки электрон-позитронной пары в магнитном поле

В 1955 г. была обнаружена еще одна античастица- антипротон (существование которой тоже вытекало из теории Дирака), а несколько позже - антинейтрон. Антинейтрон, так же как и нейтрон, не имеет электрического заряда, но он, бесспорно, относится к античастицам, поскольку участвует в процессе аннигиляции и рождения пары нейтрон-антинейтрон.

Возможность получения античастиц привела учёных к идее о создании антивещества. Атомы антивещества должны быть построены таким образом: в центре атома - отрицательно заряженное ядро, состоящее из антипротонов и антинейтронов, а вокруг ядра обращаются позитроны. В целом атом нейтрален. Эта идея тоже получила блестящее экспериментальное подтверждение. В 1969 г. на ускорителе протонов в г. Серпухове советские физики получили ядра атомов антигелия.

В настоящее время экспериментально обнаружены античастицы почти всех известных элементарных частиц.

Итоги главы. Самое главное

Ниже даны физические понятия и явления. Последовательность изложения определений и формулировок не соответствует последовательности понятий и т. п.

Перенесите в тетрадь названия понятий и в квадратные скобки впишите порядковый номер определения (формулировки), соответствующего данному понятию.

• Радиоактивность ;
• ядерная (планетарная) модель строения атома ;
• атомное ядро ;
• радиоактивные превращения атомных ядер ;
• экспериментальные методы изучения частиц в атомной и ядерной физике ;
• ядерные силы ;
• энергия связи ядра ;
• дефект масс атомного ядра ;
• цепная реакция ;
• ядерный реактор ;
• экологические и социальные проблемы, возникающие при использовании АЭС ;
• поглощённая доза излучения .

1. Регистрация частиц с помощью счётчика Гейгера, изучение и фотографирование треков частиц (в том числе участвовавших в ядерных реакциях) в камере Вильсона и пузырьковой камере.
2. Силы притяжения, действующие между нуклонами в ядрах атомов и значительно превосходящие силы электростатического отталкивания между протонами.
3. Минимальная энергия, необходимая для расщепления ядра на отдельные нуклоны.
4. Самопроизвольное излучение атомами некоторых элементов радиоактивных лучей.
5. Устройство, предназначенное для осуществления управляемой ядерной реакции.
6. Состоит из нуклонов (т. е. из протонов и нейтронов).
7. Радиоактивные отходы, возможность аварий, содействие распространению ядерного оружия.
8. Атом состоит из расположенного в его центре положительно заряженного ядра, вокруг которого на расстоянии, значительно превышающем размер ядра, обращаются электроны.
9. Превращение одного химического элемента в другой при α- или β-распаде, в результате которого ядро исходного атома претерпевает изменения.
10. Разность между суммой масс нуклонов, образующих ядро, и массой этого ядра.
11. Самоподдерживающаяся реакция деления тяжёлых ядер, в которой непрерывно воспроизводятся нейтроны, делящие всё новые и новые ядра.
12. Энергия ионизирующего излучения, поглощённая излучаемым веществом (в частности, тканями организма) и рассчитанная на единицу массы.

Проверь себя

В ходе урока все желающие смогут получить представление о теме «Термоядерная реакция». Вы узнаете, что представляет собой термоядерная реакция, или реакция синтеза. Узнаете, какие элементы и при каких условиях могут вступить в данный вид реакции, и познакомитесь с разработками использования термоядерной реакции в мирных целях.

Термоядерными реакциями (или просто термоядом) называют реакции слияния легких ядер в одно целое новое ядро, в результате которого выделяется большое количество энергии. Оказывается, большая энергия выделяется не только в результате деления тяжелых ядер, еще больше энергии выделяется, когда легкие ядра сливаются вместе, соединяются. Этот процесс называют синтезом . А сами реакции - термоядерным синтезом, термоядерными реакциями.

Какие же элементы участвуют в этих реакциях? Это в первую очередь изотопы водорода и изотопы гелия. Для примера можно привести следующую реакцию:

Два изотопа водорода (дейтерий и тритий), соединяясь вместе, дают ядро гелия, еще образуется нейтрон. Когда протекает такая реакция, выделяется огромная энергия Е = 17,6 МэВ.

Не забывайте, что это всего лишь на одну реакцию. И еще одна реакция. Два ядра дейтерия, сливаясь вместе, образуют ядро гелия:

В этом случае выделяется тоже большое количество.

Обращаю ваше внимание: чтобы такие реакции протекали, нужны определенные условия. В первую очередь нужно сблизить ядра указанных изотопов. Ядра имеют положительный заряд, в данном случае действуют кулоновские силы, которые расталкивают эти заряды. Значит, нужно преодолеть эти кулоновские силы, чтобы приблизить одно ядро к другому. Это возможно только в том случае, если сами ядра обладают большой кинетической энергией, когда скорость у этих ядер довольно велика. Чтобы добиться этого, нужно создать такие условия, когда ядра изотопов будут обладать этой скоростью, а это возможно только при очень высоких температурах. Только так мы сможем разогнать изотопы до скоростей, которые позволят им сблизиться на расстояние приблизительно 10 -14 м.

Рис. 1. Расстояние, на которое нужно сблизить ядра для наступления термоядерной реакции

Это расстояние как раз то, с которого начинают действовать ядерные силы. Значение необходимой температуры составляет порядка t ° = 10 7 - 10 8 ° C . Достигнуть такой температуры можно, когда произведен ядерный взрыв. Таким образом, чтобы произвести термоядерную реакцию, мы сначала должны произвести реакцию деления тяжелых ядер. Именно в этом случае мы добьемся высокой температуры, а уже потом данная температура даст возможность сблизить ядра изотопов до расстояния, когда они могут соединиться. Как вы понимаете, именно в этом заложен принцип так называемой водородной бомбы.

Рис. 2. Взрыв водородной бомбы

Нас, как мирных людей, интересует в первую очередь использование термоядерной реакции в мирных целях для создания тех же самых электростанций, но уже новейшего типа.

В настоящее время ведутся разработки по тому, как создать управляемый термоядерный синтез. Для этого используются различные методы, один из них: использование лазеров для получения высоких энергий и температур. С помощью лазеров их разгоняют до высоких скоростей, и в этом случае может протекать термоядерная реакция.

В результате термоядерной реакции выделяется огромное количество тепла, то место в реакторе, в котором будут находиться взаимодействующие друг с другом изотопы, нужно хорошо изолировать, чтобы вещество, которое будет находиться при высокой температуре, не взаимодействовало с окружающей средой, со стенками того объекта, где оно находится. Для такой изоляции используется магнитное поле. При высокой температуре ядра, электроны, которые находятся вместе, представляют собой новый вид материи - плазму. Плазма - это частично или полностью ионизированный газ, а раз газ ионизирован, то он чувствителен к магнитному полю. Плазма - электропроводящая, при помощи магнитных полей можно придавать ей определенную форму и удерживать в определенном объеме. Тем не менее, техническое решение управления термоядерной реакцией остается пока неразрешенным.

Рис. 3. ТОКАМАК - тороидальная установка для магнитного удержания плазмы

В заключение хотелось бы еще отметить: термоядерные реакции играют важную роль в эволюции нашей вселенной. В первую очередь отметим, что термоядерные реакции протекают на Солнце. Можно сказать, что именно энергия термоядерных реакций - это та энергия, которая сформировала нынешний облик нашей вселенной.

Список дополнительной литературы

1. Бронштейн М.П. Атомы и электроны. «Библиотечка “Квант”». Вып. 1. М.: Наука, 1980

2. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник для 9 класса средней школы. М.: Просвещение

3. Китайгородский А.И. Физика для всех. Книга 4. Фотоны и ядра. М.: Наука

4. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика. Оптика. Квантовая физика. 11 класс: учебник для углублённого изучения физики. М.: Дрофа

Задание к уроку .

1. В результате термоядерной реакции соединения двух протонов образуется дейтрон и нейтрино. Какая ещё появляется частица?

2. Найти частоту γ -излучения, образующегося при термоядерной реакции:

Если α -частица приобретает энергию 19.7 МэВ

Термоядерные реакции – экзотермические реакции синтеза легких ядер, эффективно протекающие при сверхвысоких температурах (порядка 10 7 – 10 9 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 10 8 – 10 9 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=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 м 3 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 м 3 . 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∙10 38 протонов, т.е. около 630 млн. т водорода превращаются в гелий. При этом мощность излучения Солнца составляет 3,86∙10 26 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.

Ядерные реакции между легкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких температурах (10 7 10 8 К), называются термоядерными реакциями. В этих реакциях ядрам, испытывающим взаимное кулоновское отталкивание, удается, преодолев соответствующий электростатический барьер (рис. 1), сблизиться на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил притяжения и, провалившись в образуемую ими глубокую потенциальную яму, совершить ту или иную экзоэнергетическую (т. е. сопровождающуюся выделением энергии) ядерную перестройку. Под «выделением энергии» подразумевается выделение в продуктах реакции избыточной кинетической энергии, равной увеличению суммарной энергии связи. Таким образом, относительно рыхлые ядра перестраиваются в более прочно связанные, а поскольку ядра с наибольшей энергией связи на один нуклон находятся в средней части периодической системы Менделеева, то наиболее типичным механизмом экзоэнергетической реакции является слияние (синтез) легчайших ядер в более тяжелые. Хотя существуют и экзоэнергетические реакции деления легких ядер. Благодаря особой прочности ядра 4 He возможна, например, реакция

Описанные выше процессы называются реакциями ядерного синтеза (ЯС).

По механизму преодоления кулоновского барьера реакции ЯС можно разделить на два основных класса: А – реакции при неискаженном барьере, требующие для своего протекания достаточно большой относительной энергии сталкивающихся ядер, которая сообщается им в результате ускорения или сильного разогрева; Б – реакции так называемого холодного синтеза, которые становятся возможными в результате сильного искажения самого барьера – прежде всего, его сужения, благодаря «срезанию» внешней, наиболее широкой части.

Реакции класса А могут реализоваться либо в некотором ускорителе, либо в высокотемпературной плазме звездных недр, ядерного взрыва, мощного газового разряда или в плазме вещества, разогретого гигантским импульсом лазерного излучения, бомбардировкой интенсивным пучком частиц и т. п.

Реакции типа Б являются следствием таких явлений как:

Непреходящий интерес к реакциям ЯС, и прежде всего к термоядерным реакциям, связан с тем, что они являются:

– главным источником Солнца и звезд, а также механизмом дозвездных и звездных процессов синтеза атомных ядер химических элементов;

– одной из физических основ ядерного взрыва и (термо-)ядерного оружия;

– основой управляемого термоядерного синтеза (УТС) – экономически и экологически перспективного направления энергетики будущего.

В таблице 1 приведен ряд реакций, представляющих интерес для УТС.

Таблица 1

Экзоэнергетические реакции между легкими ядрами

		Энерговыделение,	(в обл. энерг.	Энергия налетающих частиц, соотв. , МэВ
			0,16 при 2 МэВ
			0,69 при 1,2 Мэв

P – протон, d – дейтрон (ядро дейтерия 2 H), t – тритон (ядро трития 3 H), n – нейтрон, e + - позитрон, ν – ниттрино, γ – фотон. Распределение энергии между продуктами реакции обычно обратно пропорционально их массам.

При анализе результатов надо иметь в виду, что сечение σ любой из реакций есть, грубо говоря, произведение сечения прохождения сквозь кулоновский барьер и вероятности последующего ядерного превращения. Первый, «кулоновский», сомножитель по своей природе универсален для всех термоядерных реакций. Высота барьера E δ

где и– заряды ядер, аR – сумма их «радиусов». Даже для комбинаций ядер с наименьшими , например, составляет200 кэВ. Средняя же энергия частиц для плазмы звездных недр или современных направлений УТС, где наиболее типичны температуры (10 7 10 8) К, составляет около (110) кэВ. Следовательно, преодоление потенциального барьера носит, как правило, характер туннельного, притом глубоко подбарьерного, прохождения. Вероятность туннельного прохождения, когда относительная энергия E сталкивающихся ядер намного меньше высоты барьера (), может быть описана предельной формой известной экспоненты, а именно:

где – относительная скорость ядер,

–их приведенная масса.

Второй, «ядерный», сомножитель, определяющий основной порядок сечения термоядерной реакции, специфичен для каждой конкретной реакции. Так, для реакций с образованием наиболее сильно связанного ядра 4 He он велик и обычно резонансно зависит от энергии. Это относится, например, к важнейшим для УТС реакциям 7 и 10 и к одной из гипотетически перспективных «чистых», т. е. без нейтронных реакций – реакции 20. Для реакций, обусловленных слабым взаимодействием, он чрезвычайно мал. Так, например, фундаментальная для энерговыделения Солнца реакция 1 непосредственно (в лаборатории) вообще не наблюдалась.

Интенсивность термоядерной реакции зависит от плотности плазмы и от температуры. Зависимость от плотности определяется тем, что реакции происходят в результате парных столкновений между ядрами. Число реакций в единице объема в единицу времени равно , гдеn 1 , n 2 – концентрации ядер сортов 1 и 2; угловыми скобками обозначено усреднение по распределению относительных скоростей , в дальнейшем принимаемому максвелловским. В области «не очень высоких» температурT ≤ (10 7 ÷10 8)К и в отсутствие резонанса может быть приближенно выражено в форме, универсальной для всех нерезонансных реакций:

где – постоянная, характерная для данной реакции. Эта формула справедлива лишь при больших (1) значениях показателя экспоненты. Полученная температурная зависимость сама по себе достаточно сильная, но все же не столь резка, как например, типичная температурная зависимостьскорости химических реакций.