Примеры термоядерных реакций. Ядерные реакции

Термоядерные реакции
Thermonuclear reactions

Термоядерные реакции − реакции слияния (синтеза) лёгких ядер, протекающие при высоких температурах. Эти реакции обычно идут с выделением энергии, поскольку в образовавшемся в результате слияния более тяжёлом ядре нуклоны связаны сильнее, т.е. имеют, в среднем, бoльшую энергию связи, чем в исходных сливающихся ядрах. Избыточная суммарная энергия связи нуклонов при этом освобождается в виде кинетической энергии продуктов реакции. Название “термоядерные реакции” отражает тот факт, что эти реакции идут при высоких температурах (> 10 7 –10 8 К), поскольку для слияния лёгкие ядра должны сблизиться до расстояний, равных радиусу действия ядерных сил притяжения, т.е. до расстояний ≈10 -13 см. А вне зоны действия этих сил положительно заряженные ядра испытывают кулоновское отталкивание. Преодолеть это отталкивание могут лишь ядра, летящие навстречу друг другу с большими скоростями, т.е. входящие в состав сильно нагретых сред, либо специально ускоренные.
Ниже приведены несколько основных реакций слияния ядер и указаны для них значения энерговыделения Q. d означает дейтрон − ядро 2 Н, t означает тритон − ядро 3 Н.

d + d → 3 He + n + 4.0 МэВ,
d + d → t + p + 3.25 МэВ,
t + d → 4 He + n + 17.6 МэВ,
3 He + d → 4 He + p + 18.3 МэВ.

Реакция слияния ядер начинается тогда, когда сталкивающиеся ядра находятся в области их взаимного ядерного притяжения. Чтобы так сблизиться, сталкивающиеся ядра должны преодолеть их взаимное дальнодействующее электростатическое отталкивание, т.е. кулоновский барьер. Скорость реакции слияния крайне мала при энергиях ниже нескольких кэВ, но она быстро растет с ростом кинетичской энергии ядер, вступающих в реакцию. Соответствующие эффективные сечения реакций в зависимости от энергии дейтрона приведены на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость эффективных сечений реакции слияния
от энергии дейтрона.

Самоподдерживающиеся термоядерные реакции являются эффективным источником ядерной энергии. Однако осуществить их на Земле сложно, так как для этого нужно удерживать высокие концентрации ядер при огромных температурах. Необходимые условия для протекания самоподдерживающихся термоядерных реакций имеются в звёздах, где они являются главным источником энергии. Так внутри Солнца, где находятся ядра водорода при плотности ≈100 г/см 3 и температуре 10 7 К, идёт цепочка термоядерных реакций превращения четырёх протонов (ядер водорода) в ядро гелия-4 (4 Не). При каждом таком превращении выделяется энергия 26.7 МэВ. Эта цепочка реакций (называемая протон-протонной) начинается с реакции (1) и приведена на рисунке.

На Земле самоподдерживающиеся термоядерные реакции с выделением огромной энергии осуществлялись в течение очень короткого времени (10 -7 –10 -6 сек) при взрывах водородных бомб. Одной из основных термоядерных реакций, обеспечивающих энерговыделение при таких взрывах, является реакция слияния двух тяжёлых изотопов водорода (дейтерия и трития) в ядро гелия с испусканием нейтрона.

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

Термоядерная реакция относится к разряду ядерных, но, в отличие от последних, в ней происходит процесс образования, а не разрушения.
На сегодняшний день разработала два варианта проведения термоядерного синтеза – взрывной термоядерный синтез и управляемый термоядерный синтез.

Кулоновский барьер или почему люди еще не взлетели на воздух

Атомные ядра несут положительный заряд. Это означает, что при их сближении начинает действовать сила отталкивания, которая обратно пропорциональна квадрату расстояния между ядрами. Однако на определенном расстоянии, которое равно 0,000 000 000 001 см, начинает действовать сильное взаимодействие, приводящие к слиянию атомных ядер.

В результате выделяется колоссальное количество энергии. То расстояние, которое препятствует слиянию ядер, называется кулоновским барьером, или потенциальным барьером. Условие, при котором это происходит - высокая температура, порядка 1 миллиарда градусов Цельсия. При этом любое вещество превращается в плазму. Основным веществами для осуществления термоядерной реакции являются и тритий.

Взрывной термоядерный синтез

Такой способ проведения термоядерной реакции возник намного раньше управляемого и впервые был применен в водородной бомбе. Основным взрывающимся веществом является дейтерид лития.

Бомба состоит из триггера – плутониевого заряда с усилителем и контейнера с термоядерным горючим. Сначала взрывается триггер с испусканием импульса мягкого рентгеновского излучения. Оболочка второй ступени вместе с пластиковым наполнителем поглощают эти излучения, нагреваясь до высокотемпературной плазмы, которая находится под высоким давлением.

Создается реактивная тяга, которая сдавливает объем второй ступени, уменьшая межъядерной расстояние в тысячи раз. При этом термоядерная реакция не происходит. Завершающим этапом является ядерный взрыв плутониевого стержня, который и запускает ядерную реакцию. Дейтерид лития с нейтронами с образованием трития.

Управляемый термоядерный синтез

Управляемый термоядерный синтез возможен потому, что применяются особые типы реакторов. Топливом служит дейтерий, тритий, гелия, литий, бор-11.

Реакторы:
1) Реактор, основанный на создании квазистационарной системы, в которой плазма удерживается магнитным полем.
2) Реактор на основе импульсной системы. В этих реакторах небольшие мишени, содержащие дейтерий и тритий, кратковременно нагревают сверхмощным потоком частиц или лазером.

Происхождение термина

Для того, чтобы произошла ядерная реакция, исходные атомные ядра должны преодолеть так называемый "кулоновский барьер" - силу электростатического отталкивания между ними. Для этого они должны иметь большую кинетическую энергию . Согласно кинетической теории , кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а следовательно, нагревая вещество можно достичь ядерной реакции. Именно эту взаимосвязь нагревания вещества и ядерной реакции и отражает термин термоядерная реакция.

Кулоновский барьер

Атомные ядра имеют положительный электрический заряд . На больших расстояниях их заряды могут быть экранированы электронами. Однако для того, чтобы произошло слияние ядер, они должны сблизиться на расстояние, на котором действует сильное взаимодействие . Это расстояние - порядка размера самих ядер и во много раз меньше размера атома . На таких расстояниях электронные оболочки атомов (даже если бы они сохранились) уже не могут экранировать заряды ядер, поэтому они испытывают сильное электростатическое отталкивание. Сила этого отталкивания, в соответствии с законом Кулона , обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами. На расстояниях порядка размера ядер величина сильного взаимодействия, которое стремится их связать, начинает быстро возрастать и становится больше величины кулоновского отталкивания.

Таким образом, чтобы вступить в реакцию, ядра должны преодолеть потенциальный барьер . Например, для реакции дейтерий -тритий величина этого барьера составляет примерно 0,1 МэВ . Для сравнения, энергия ионизации водорода - 13 эВ. Поэтому вещество, участвующее в термоядерной реакции, будет представлять собой практически полностью ионизированную плазму .

Температура, эквивалентная 0,1 МэВ, приблизительно равна 10 9 , однако есть два эффекта, которые снижают температуру, необходимую для термоядерной реакции:

• Во-первых, температура характеризует лишь среднюю кинетическую энергию, есть частицы как с меньшей энергией, так и с большей. На самом деле в термоядерной реакции участвует небольшое количество ядер, имеющих энергию намного больше средней (т. н. «хвост максвелловского распределения »).

• Во-вторых, благодаря квантовым эффектам, ядра не обязательно должны иметь энергию, превышающую кулоновский барьер. Если их энергия немного меньше барьера, они могут с большой вероятностью туннелировать сквозь него.

Мюонный катализ

Термоядерная реакция может быть существенно облегчена при введении в реакционную плазму отрицательно заряженных мюонов .

Мюоны µ − вступая в взаимодействие с термоядерным топливом образуют мезомолекулы, в которых расстояние между ядрами атомов топлива несколько меньше, что облегчает их сближение и, кроме того, повышает вероятность туннелирования ядер через кулоновский барьер.

Число реакций синтеза X c , инициируемое одним мюоном, ограничено величиной коэффициента прилипания мюона. Экспериментально удалось получить значения X c ~100, т. е. один мюон способен высвободить энергию ~ 100 × Х МэВ, где Х - энергетически выход катализируемой реакции.

Пока величина освобождаемой энергии меньше, чем энергетические затраты на производство самого мюона (5-10 ГэВ). Таким образом, мюонный катализ пока энергетически невыгодный процесс. Коммерчески выгодное производство энергии с использованием мюонного катализа возможно при X c ~ 10 4 .

Термоядерные реакции

Применение

Применение термоядерной реакции как практически неисчерпаемого источника энергии связано в первую очередь с перспективой освоения технологии управляемого термоядерного синтеза (УТС) . В настоящее время научная и технологическая база не позволяет использовать УТС в промышленных масштабах.

Вместе с тем, неуправляемая термоядерная реакция нашла своё применение в военном деле. Впервые термоядерное взрывное устройство было испытано в ноябре 1952 года в США, а уже в августе 1953 года в Советском Союзе испытали термоядерное взрывное устройство в виде авиабомбы. Мощность термоядерного взрывного устройства (в отличие от атомного) ограничена лишь количеством используемого для его создания материала, что позволяет создавать взрывные устройства практически любой мощности.

См. также

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

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

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.