Головна ⇒ 📌Довідник с фізики ⇒ Реакції термоядерного синтезу

Реакції термоядерного синтезу

ФІЗИКА

Частина 6 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА І ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

Розділ 17 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

17.15. Реакції термоядерного синтезу

У легких ядрах питома енергія зв’язку збільшується зі зростанням числа нуклонів у ядрі не плавно. Першим відносно стійким ядром серед легких ядер є 42Не. У ньому два протони і два нейтрони. Спіни нейтронів і протонів у ядрі гелію антипаралельні. Сумарний спін ядра дорівнює нулю. Тому в ядрі немає сил відштовхування, зумовленого спіновими і спіноорбітальними силами, ядро упаковано найкраще для такого

числа частинок. Наступні максимуми в питомій енергії зв’язку легких ядер спостерігаються там, де число частинок кратне числу частинок, що має 42Не. Це 126С, 168О. Спіни цих ядер також дорівнюють нулю. Якщо два легких ядра з’єднуються, то упаковка кінцевого ядра буде вищою, за рахунок цього при з’єднанні ядер виділиться деяка кількість енергії (див. рис. 17.7). Особливо енергетично вигідно, якщо кінцевим ядром буде ядро гелію або ядро з числом нуклонів, кратним числу їх в ядрі гелію. Матеріалом для реакцій з’єднання (синтезу) є ізотопи гідрогену. Більш важкі ядра для цих реакцій не використовують. Це пов’язано

з тим, що вони мають відносно великий електричний заряд, і для зближення двох ядер треба подолати електростатичну силу відштовхування, пропорційну добутку електричних зарядів ядер. Силу відштовхування можна подолати, надаючи ядрам кінетичну енергію. Для цього речовину нагрівають і таким чином збільшують відносну швидкість руху ядер. Навіть ядра дейтерію і тритію (ізотопи гідрогену 21Н і 31Н), що мають найменший електричний заряд, доводиться нагрівати до надто високих температур. Ізотопи гідрогену – дейтерій і тритій – найвигідніші матеріали для реакцій ядерного синтезу. Оскільки ядра з’єднуються за рахунок високої кінетичної енергії, що утворюється при нагріванні, реакції ядерного синтезу називають ще термоядерними. При з’єднанні двох дейтронів (ядер дейтерію) у половини з них утворюються ядро 32Не і нейтрон. При цій реакції виділяється 3,25 МеВ енергії, з якої 2,45 МеВ несе нейтрон:

Друга половина з’єднань двох дейтронів дає протон і ядро тритію – тритон. При цьому виділяється 4,03 МеВ енергії, з якої близь ко 3 МеВ несе протон:

З’єднання тритона і дейтрона приводить до утворення ядра 42Не і нейтрона. Виділяється 17,6 МеВ енергії, з якої 14,1 МеВ припадає на нейтрон:

Ці реакції можуть бути основою для здійснення реакції синтезу атомних ядер для енергетичного використання їх, оскільки вони мають відносно великі значення виділеної енергії. Наприклад, енерговиділення в реакції (17.57), розраховане на один нуклон

Значно перевищує енерговиділення в процесах поділу важких ядер (ω ≈ 0,85 МеВ/нуклон). А якщо врахувати, що запаси дейтерію на Землі практично невичерпні (він входить до складу води океанів), то стане зрозумілим, що із здійсненням керованої реакції синтезу в земних умовах буде повністю розв’язано проблему енергопостачання.

Необхідною умовою для реалізації самопідтримної реакції синтезу є дуже висока температура для подолання так званого кулонів – ського бар’єра заряджених частинок, який не дає змоги ядрам наблизитись одне до одного на відстань порядку радіуса ядерних сил. Для легких ядер кулонівський бар’єр невисокий, і для ефективного проходження, наприклад, реакцій (17.55) і (17.56) потрібні дейтрони з енергією близько 0,1 МеВ. Неважко підрахувати, що температура, яка відповідатиме цій енергії, дорівнює 1,1 ∙ 109 К. Ця температура перевищує температуру центральних областей Сонця, яка дорівнює 1,3 ∙ 107 К. Відомо, що речовина за такої високої температури має перебувати в стані плазми, тобто у вигляді повністю йоні – зованих атомів (“голих” ядер) і вільних електронів. Такі високі температури поки що дістати не вдалось. Однак виявляється, щоб процес синтезу відбувся в лабораторних умовах, її можна знизити до 108 к.

Реакцію з’єднання дейтерію з тритієм (17.57), точніше реакцію між ядрами цих речовин, здійснено в земних умовах під час вибуху водневої бомби. Потужність такого вибуху еквівалентна потужності вибуху сотень і більше мільйонів тонн тротилу. Початкова температура для здійснення термоядерної реакції у водневій бомбі досягається за допомогою вибуху атомної бомби, основою якої є реакція поділу ядер.

Для з’єднання двох дейтронів треба зблизити їх, подолавши електростатичну силу відштовхування однакових за знаком зарядів на таку відстань, де діють ядерні сили притягання. Радіус ядерних сил дорівнює близько 1,4 Ф. Враховуючи, що розміри дейтрона дещо більші за розміри протона, відстань між центрами двох дейтронів має бути близько 3,5 Ф. Для зближення на таку відстань при прямому зіткненні дейтрону-снаряду треба надати, якщо дейтрон-мішень при цьому не рухається, кінетичну енергію близько 1 МеВ. При зустрічному русі двох дейтронів з однаковою швидкістю кінетична енергія дещо менша. Як же відбувається реакція синтезу?

Згадаємо співвідношення невизначеностей При наближенні дейтрона, що летить до дейтрона-мішені, його швидкість зменшується, а також зменшується й імпульс, що дорівнює добутку маси на швидкість. У момент максимального зближення імпульс, здавалося б, має дорівнювати нулю, тобто бути повністю визначеним. Це буває тоді, коли дейтрони зближаються на відстань близько 200 Ф. Проте згідно із співвідношенням невизначеностей одночасно неможливо точно визначити значення імпульсу й координати частинки. З наближенням імпульсу до нуля його невизначеність зменшується, а невизначеність у координаті частинки зростає. В якийсь момент вона може досягти і навіть перевищити 200 Ф. При цьому налітаючий дейтрон з однаковою ймовірністю може опинитися в будь-якій точці сферичного об’єму радіуса 200 Ф або більше, він може опинитися і поблизу ядра-мішені, і в самому ядрі. Отже, за допомогою співвідношення невизначеностей можна пояснити існування реакцій синтезу при енергіях, менших за енергію потенціального бар’єра. Ймовірність такого явища експоненціально зростає при зменшенні різниці між висотою потенціального бар’єра (1 МеВ) і кінетичною енергією частинки. Взаємодію ядер при енергіях, менших, ніж треба для подолання потенціального бар’єра, можна пояснити проникненням частинки через стінки потенціального бар’єра, а не “перевалюванням” через бар’єр, чого вимагає класична фізика. Цей ефект, як відомо, називають тунельним (див. підрозділ 16.4). Він характерний для явищ мікросвіту. Нічого подібного в класичній фізиці, яка описує макротіла, немає. Тільки завдяки корпускулярно-хвильовим властивостям мікрочастинок можна зрозуміти, чому реакції синтезу ядер проходять не за температури в десять мільярдів градусів, а за значно меншої – сто мільйонів градусів. Це є ще одним підтвердженням діалектичного поєднання протилежних корпускулярних і хвильових властивостей речовини, справедливості застосування квантово-механічних уявлень у мікросвіті.

Для здійснення керованих термоядерних реакцій провадяться роботи, пов’язані з одержанням надвисоких температур пропускання через дейтерій або дейтерієво-тритієву суміш потужних електричних розрядів у магнітному полі. При цьому газ повністю іонізований і складається з електронів і ядер (дейтронів). Якщо не використовувати магнітне поле, то заряджені частинки з плазми спрямовуватимуться до стінок посудини, в якій відбувається розряд, віддаватимуть їй більшу частину своєї енергії, тому високого нагрівання плазми не можна досягти. Магнітне поле утримує плазму далеко від стінок у вигляді порівняно тонкого шнура, внаслідок чого в ній досягається температура в кілька мільйонів градусів.

Великих успіхів досягли вчені у здійсненні термоядерних реакцій за допомогою замкнених магнітних систем для нагрівання і підтримання плазми – установок “токамак”. У цих системах можна нагрівати йони гідрогену до температури вісім мільйонів градусів та утримувати їх у гарячому стані кілька сотих секунди. Для початку ж термоядерної реакції температуру треба підвищити до 70…100 мільйонів градусів і утримувати плазму протягом хоча б кількох секунд.

Успіхи в послідовному просуванні до “токамаку” – термоядерного реактора, зосередження наукових сил у масштабах усього світу на цьому основному напрямі дають змогу сподіватись на скорочення шляху до оволодіння керованою термоядерною реакцією.

Тепер найважливішим завданням є збільшення часу існування стійкого режиму плазми та збільшення її густини. Ще багато досить складних завдань треба розв’язати для створення практичної реалізації термоядерних реакцій, але досягнуті успіхи наближають розв’язання цього важливого завдання – одержання практично невичерпного джерела енергії.