Меню сайта

11 класс

§ 71. Термоядерные реакции. Термоядерный синтез

Термоядерные реакции.

Энергию за счёт ядерных реакций можно получить не только в реакциях деления тяжёлых ядер, но и при соединении лёгких атомных ядер. Масса ядра гелия ⁴   ₂ He значительно меньше суммы масс двух ядер тяжёлого водорода (²   ₁ H и ³   ₁ H), на которые можно разделить ядро гелия. Это означает, что должна выделяться значительная энергия, равная разности энергии связи тяжёлого ядра ⁴   ₂ He и двух лёгких ядер ²   ₁ H и ³   ₁ H. Подобного рода реакции слияния лёгких ядер могут протекать только при очень высоких температурах, поэтому их называют термоядерными.

Для слияния ядер необходимо, чтобы они сблизились на расстояние около 10^-12 см, т. е. чтобы они попали в сферу действия ядерных сил. Этому сближению препятствует кулоновское отталкивание ядер, которое может быть преодолено лишь за счёт большой кинетической энергии теплового движения ядер. Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях в расчёте на один нуклон, превышает удельную энергию, выделяющуюся при цепных реакциях деления ядер. Так, при слиянии тяжёлого водорода — дейтерия ²   ₁ H — со сверхтяжёлым изотопом водорода — тритием ³   ₁ H выделяется около 3,5 МэВ на один нуклон.

Энергия излучения Солнца и звёзд имеет термоядерное происхождение. По современным представлениям, на ранней стадии развития звезды она в основном состоит из водорода. Температура внутри звезды столь велика, что в ней протекают реакции слияния протонов с образованием гелия. При слиянии ядер гелия образуются более тяжёлые элементы. Поэтому термоядерные реакции играют важнейшую роль в эволюции химического состава вещества во Вселенной.

Управляемый термоядерный синтез (УТС).

Термоядерный синтез в форме неуправляемой термоядерной реакции был впервые реализован при взрыве термоядерной бомбы. УТС носит регулируемый характер. Наиболее перспективной в этом отношении является реакция слияния дейтерия с тритием:

²   ₁ H + ³   ₁ H ⟶ ⁴   ₂ He + ¹   ₀ n.

В данной реакции выделяется энергия, равная 17,6 МэВ.

УTC возможен при одновременном выполнении двух условий.

1. Температура термоядерного рабочего вещества (плазмы) T > 10⁸ К.

2. Для того чтобы оценить, будет ли термоядерный синтез в заданном реакторе являться источником энергии (выделяющаяся термоядерная энергия должна быть больше энергии, уносимой из плазмы электромагнитным излучением и потоком уходящих частиц), вводится критерии Лоусона ¹.

---

¹ OH был предложен в 1955 г. английским физиком Джоном Лоусоном (1923—2008).

Произведение концентрации n частиц плазмы и времени τ удержания горячей плазмы в рабочем объёме должно превышать определённую величину. Для реакции слияния дейтерия с тритием

nτ > 10¹⁴ см^-3 ∙ c.

Даже в оптимальных условиях для реактора, работающего на смеси дейтерия и трития, необходимо достижение температур ~ 2 ∙ 10⁸ К. Кроме того, для плазмы с плотностью - 10¹⁴ см^-3 должны быть обеспечены секундные времена удержания.

В термоядерном реакторе предполагается наличие плазмы, нагретой до температур в сотни миллионов градусов, и её сохранение в течение времени, достаточного для осуществления термоядерных реакций. Необходимые температуры могут быть достигнуты путём создания в плазме мощных электрических разрядов. Основная трудность состоит в том, чтобы удержать плазму столь высокой температуры внутри установки на протяжении 0,1 — 1 с. Никакие стенки из вещества здесь не подойдут, так как при столь высокой температуре они превратятся в пар!

В 1951 г. российские учёные Игорь Евгеньевич Тамм (1895—1971) и Андрей Дмитриевич Сахаров (1921—1989) предложили метод удержания высокотемпературной плазмы в ограниченном объёме с помощью очень сильных магнитных полей. На практике он был реализован в таком техническом устройстве, как токамак (аббревиатура от ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками). Он представляет собой вакуумную камеру, на которую намотаны катушки для создания магнитного поля специальной формы. Из камеры сначала откачивают воздух, а затем заполняют её смесью дейтерия и трития. После этого в камере создают вихревое электрическое ноле, которое вызывает протекание тока и зажигание плазмы. При этом плазма в токамаке удерживается не стенками камеры, а специально создаваемым магнитным полем.

Отметим, что под руководством Льва Андреевича Арцимовича (1909—1973) в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова в Москве был выполнен цикл исследований, результатом которых стал пуск в 1975 г. крупнейшей в мире термоядерной установки «Токамак-10» (Т-10).

Токамак считается наиболее перспективным устройством для осуществления УТС. Но эта проблема настолько сложна, что самостоятельно с ней не может справиться ни одна страна в мире. Поэтому мировое сообщество избрало оптимальный путь — разработку Международного термоядерного экспериментального реактора (ITER ²).

---

² Аббревиатура от «Internat10nal Thermonuclear Experimental Reactor».

В его создании участвуют страны Евросоюза, Китай, Россия, США, Япония и др. Цель ITER состоит в создании работающего термоядерного реактора, решении физических и технологических проблем, которые могут при этом возникнуть. Проектирование ITER полностью закончено, и выбрано место его постройки — территория национального исследовательского центра в г. Кадараше (в 60 км от г. Марселя, Франция).

Если освоение УТС в рамках проекта ITER состоится, то это ознаменует наступление новой энергетической эры. Только представьте себе, осуществление УТС на Земле позволит человечеству использовать практически неисчерпаемый источник энергии, а именно воду морей и океанов, содержащую огромные запасы изотопов водорода. Например, при использовании дейтерия, содержащегося в 1 л обычной воды, в реакции термоядерного синтеза выделится столько же энергии, как при сгорании около 350 л бензина!

Лазерный термоядерный синтез.

Учёными также ведутся работы по реализации УТС за счёт нагрева мишени мощными лазерными импульсами. Термоядерная мишень представляет собой полый стеклянный шарик диаметром 0,1 — 1 мм с очень топкими стенками. Шарик заполнен смесью дейтерия и трития. На мишень фокусируются излучения десятков мощнейших лазерных импульсов. В результате такого воздействия оболочка мишени испаряется и разлетается в стороны.

Одновременно внутренние слои мишени, согласно закону сохранения импульса, устремляются к центру. Вещество сжимается и нагревается до температур, при которых возможен термоядерный синтез. В настоящее время разрабатываются проекты лазерных реакторов, работающих в импульсном режиме.

Вопросы:

1. Что называют термоядерными реакциями?

2. Почему для протекания термоядерных реакций необходимы высокие температуры?

3. Что является основным источником энергии Солнца и других звёзд?

4. Какая управляемая термоядерная реакция является наиболее перспективной?

5. При каких условиях возможен УТС?

6. Что представляет собой токамак?

Упражнения:

1. Для осуществления термоядерного синтеза требуется преодолеть кулоновское отталкивание ядер. Оцените (в МэВ), какой кинетической энергией должны обладать два протона, чтобы сблизиться на расстояние 2 ∙ 10^-15 м. Какой температуре теплового движения соответствует такая кинетическая энергия?

2. При какой температуре в газообразном дейтерии начнётся следующая термоядерная реакция: ²   ₁ H + ²   ₁ H ⟶ ⁴   ₂ He?

3. Найдите частоту γ-излучения, образующегося при термоядерной реакции: ¹   ₁ H + ³   ₁ H ⟶ ⁴   ₂ He + γ, если α-частица приобретает энергию 19,7 МэВ.

4. Неподвижное ядро изотопа ⁷  ₃ Li, захватывая протон, распадается на две α-частицы. Определите сумму кинетических энергий и скорости этих частиц. Кинетической энергией протона пренебречь.