Термоядерный синтез легких ядер

Слияние легких ядер в одно более тяжелое ядро также сопровождается выделением большого количества энергии. Реакция называется термоядерной, так как для ее протекания необходима температура порядка 10⁹ К. Этой температуры достаточно, чтобы ядра преодолели кулоновский потенциальный барьер, и произошло слияние ядер. Однако слияние ядер возможно даже, если их кинетическая энергия меньше, чем высота кулоновского барьера (ядра называют резонансными). Поэтому в некоторых случаях эту температуру можно понизить до 10⁷ К. Этот синтез протекает вследствие квантово-механического эффекта – туннелирования.

В частности, резонансными ядрами являются дейтерий и тритий . Синтез этих ядер имеет схему:

В результате этой реакции выделяется энергия 17,6 МэВ (3,5 МэВ/нуклон). Данный синтез протекает при взрыве термоядерной водородной бомбы. Для создания требуемой температуры в качестве запала водородной бомбы используется атомная бомба.

Источником энергии звезд и в частности Солнца является также термоядерный синтез. На поверхности Солнца температура достигает 6000 К, в недрах Солнца – 10⁷…10⁸ К. Существует несколько предполагаемых циклов термоядерных реакций, которые протекают на звездах. В частности это водородный цикл (протонный цикл):

,

,

.

Третья ядерная реакция протекает за счет слабого ядерного взаимодействия.

Осуществление управляемого термоядерного синтеза – одна из основных научных и технических задач в настоящее время.

Из реакций синтеза легких ядер для осуществления управляемого термоядерного синтеза особый интерес представляют две реакции:

(7.1)

(7.2)

Тритий является радиоактивным и в естественном состоянии в природе не встречается. Поэтому его получают искусственным способом:

.

Реакции (7.1) и (7.2) происходят с положительно заряженными ядрами, между которыми действуют кулоновские силы отталкивания. Для возможности проведения реакции взаимодействующим ядрам должна быть сообщена кинетическая энергия, достаточная для сближения ядер на расстояния 10^–11 см. Только после этого с заметной вероятностью начнется процесс слияния ядер за счет туннельного эффекта.

Осуществить такую реакцию возможно при ускорении ядер одного изотопа на ускорителе заряженных частиц и последующей бомбардировке этими ядрами мишени из ядер другого изотопа. При столкновениях кинетическая энергия ускоренных ядер быстро растрачивается на ионизацию и возбуждение атомов мишени. Оставшейся энергии недостаточно для слияния ускоренного ядра с ядром мишени. В результате почти все столкновения ядер не будут завершаться ядерными реакциями. Поэтому процессы ионизации и возбуждения атомов мишени происходить не должны. Это может иметь место только в уже полностью ионизованной плазме, нагретой до высокой температуры (10⁸ К).

Для нагревания дейтерий-тритиевой плазмы существуют следующие способы:

1) выделение джоулева тепла при пропускании электрического тока через плазму;

2) инжекция в плазму пучков нейтральных частиц высокой энергии;

3) нагревание высокочастотным электромагнитным полем;

4) сжатие плазмы при прохождении через нее электрического тока из-за притяжения параллельно идущих нитей тока (пинч-эффект);

5) нагревание лазерным излучением большой мощности;

6) нагревание интенсивными электронными пучками;

7) нагревание пучками ускоренных тяжелых ионов.

Основная трудность управляемого термоядерного синтеза – проблема удержания высокотемпературной достаточно плотной плазмы в рабочем объеме реактора. Для удержания плазмы используют магнитные поля различной конфигурации, называемые магнитными ловушками. В настоящее время наиболее перспективной ловушкой является токамак (то роидальная ка мера с ма гнитными к атушками).

Приложение

Дата добавления: 2014-01-06