Реакція синтезу атомних ядер. Проблема керованих термоядерних реакцій

Реакція синтезу атомних ядер – термоядерна реакція – це злиття легких ядер в одне ядро, яке супроводжується виділенням великих кількостей енергії.

Ядерний синтез, тобто злиття легких ядер в одне ядро супроводжується, як і поділ важких ядер, виділенням великих кількостей енергії. Оскільки для синтезу ядер необхідні дуже високі температури, цей процес називається термоядерною реакцією.

Для прикладу наведемо деякі реакції синтезу легких ядер та значення теплових ефектів Q:

, ,

, ,

, ,

, .

Виділення великих кількостей енергії пояснюється тим що питома енергія зв’язку ядер різко збільшується при переході від ядер водню , до літію і особливо до гелію .

Реакції синтезу атомних ядер мають ту особливість, що в них енергія, яка виділяється на один нуклон, значно більша, ніж в реакціях поділу важких ядер. Справді, якщо під час поділу ядра виділяється енергія приблизно 0,84 МеВ на один кулон, то в реакції синтезу приблизно 3,5 МеВ, тобто в 4 рази більше.

Оцінимо температуру перебігу термоядерної реакції на прикладі синтезу ядра дейтерію . Для об’єднання ядер дейтерію їх треба наблизити на відстань, що дорівнює радіусу дії ядерних сил r=2 м, долаючи при цьому кулонівський бар’єр . На кожне ядро, що стикається, припадає 0,35 МеВ. Середній енергії теплового руху , яка дорівнює 0,35 МеВ, відповідає температура порядку . Отже, реакція синтезу ядер дейтерію може відбуватися лише при температурі, що перевищує на два порядки температуру центральних областей Сонця .

Однак для перебігу реакції синтезу атомних ядер достатньо температури порядку . Це пов’язано з двома факторами: 1) при температурах, характерних для реакцій синтезу атомних ядер, речовина знаходиться в стані плазми, розподіл частинок якої описується законом Максвелла, тому завжди є деяка кількість ядер, енергія яких набагато перевищує середнє значення; 2) синтез ядер може відбуватися внаслідок тунельного ефекту. Термоядерні реакції є, можливо, одним з джерел енергії Сонця і зірок. В принципі висловлено два припущення про можливі способи перебігу термоядерних реакцій на Сонці:

1) протонно-протонний або водневий цикл, характерний для температур ~ :

,

,

.

Енергія, яка виділяється при цьому циклі, дорівнює . На рис. 346 зображений весь ланцюжок протон-протон­ного циклу.

2) вуглецево-азотний або вуглецевий цикл, характерний для більш високих температур

, ,

, ,

, .

В результаті цього циклу 4 протони перетворюються в ядро гелію і виділяється енергія, яка дорівнює 26,7 МеВ. Ядра ж вуглецю, кількість яких залишається незмінною, беруть участь у реакції в ролі каталізатора.

Схема протікання вуглецево-азот­ного циклу наведена на рис. 347.

З наведених вище рівнянь реакції видно, що синтез протонів супроводжується виникненням нейтрино, кількість яких можна оцінити. Однак проведені вимірювання показали, що кількість нейтрино, що виділяються на Сонці, дуже мала. В зв’язку з цим питання про природу сонячної енергії залишається дискусійним.

Вперше штучна термоядерна реакція була здійснена в СРСР (1953), а потім в США у вигляді вибуху водневої (термоядерної бомби), що є некерованою реакцією. Вибуховою речовиною, в якій проходила реакція , є суміш дейтерію і тритію, а запалом – звичайна атомна бомба, при вибуху якої виникає необхідна для перебігу термоядерної реакції температура.

Теоретичною основою для перебігу штучних керованих термоядерних реакцій є реакції типу , що відбуваються у високотемпературній плазмі. Однак завдання полягає не тільки в створенні умов, потрібних для інтенсивного виділення енергії в термоядерних процесах, а здебільшого в підтриманні цих умов. Для здійснення самопідтримної термоядерної реакції потрібно, щоб швидкість виділення енергії в системі, де відбувається реакція, була не менша за швидкість відведення енергії від системи.

Розрахунки показують, що для забезпечення самопідтримної керованої термоядерної реакції температуру дейтерієвої плазми треба довести до кількох сотень мільйонів градусів. При температурах реакція має повну інтенсивність і супроводжується виділенням великої енергії. Так, при температурі потужність, яка виділяється в одиниці об’єму плазми при сполученні дейтерієвих ядер, становить , у той час як при температурі вона дорівнює лише .

Основною причиною втрат енергії високотемпературною плазмою є її велика теплопровідність, яка швидко зростає при високих температурах. Енергія з плазми може відводитися завдяки дифузії гарячих частинок з області, де відбувається реакція, на стінки апарата, в якому міститься плазма. Якщо плазму не теплоізолювати від контакту з будь-якими нав­колишніми речовинами, то її можна нагрівати лише до кількох сотень тисяч градусів, тому що енергія, яка виділяється внас­лідок реакції синтезу, виходитиме на стінки. Інакше кажучи, треба втримати плазму в заданому об'ємі, не допускаючи її розширення. Ідею ефективної магнітної термоізоляції плазми стосовно проблеми керованого термоядерного синтезу запропонували А.Д. Сахаров і І.Є. Тамм у 1950 р. Якщо пропустити через плазму у формі стовпа вздовж його осі великий електричний струм, то магнітне поле цього струму створює електродинамічні сили, які прагнутимуть стиснути плазмовий стовп. Отже, стовп плазми буде відірваний від стінок і стягнутий у плазмовий шнур. Однак утримувати плазмовий шнур в такому стані не вдається: відбуваються швидкі радіальні коливання - він то розширюється, то знову стискається.

Внаслідок нестабільності, нестій­кості плазми у плазмовому шнурі виникають деформації, які змінюють геометричну форму шнура. Результатом цього є пору­шення термоізоляції, інтенсивна взаємодія плазми із стінками, що приводить до забруднення дейтерію речовиною стінок і швидкого охолодження плазми.

Основним питанням, розв’язання якого дозволить здійснити керовані термоядерні реакції, є з’ясування умов, за яких високотемпературна плазма в магнітному полі належної конфігурації може зберегти стійкість. Розв'язання цього питання поряд з пошуками шляхів підвищення температури плазми є головним напрямом, в якому розвиваються дослідження керованих термоядерних реакцій.

Можливість реалізації термоядерної реакції зводиться до необхідності виконання двох вимог: наявності деякої мінімальної температури і певного обмеження для добутку концентрації n частинок у плазмі на час їх утримання в плазмі. Ці умови називаються критерієм Лоусона.