12.7. Синтез ядер. Термоядерные реакции

Ядерный синтез, т. е. слияние легких ядер в одно ядро, сопровождается выделением огромных коли­честв энергии. Поскольку для синтеза ядер необходимы высокие температуры, этот процесс называется термо­ядерной реакцией.

Средней энергии тепло­вого движения, равной 0,35 МэВ, соответствует темпера­тура порядка 2·10⁹ К. Однако синтез легких ядер мо­жет протекать и при значительно меньших температурах. Дело в том, что из-за случайного распределения частиц по скоростям всегда имеется некоторое число ядер, энер­гия которых значительно превышает среднее значение. Кроме того, слияние ядер может произойти вследствие туннельного эффекта. По­этому некоторые термоядерные реакции протекают с заметной интенсивностью уже при температурах порядка 10⁷ K

Особенно благоприятны условия для синтеза ядер дейтерия и трития, так как реакция между ними носит резонансный характер. Именно эти вещества образуют заряд водородной (или термоядерной) бом­бы. Запалом в такой бомбе служит обычная атомная бомба, при взрыве которой возникает температура по­рядка 10⁷К. Реакция синтеза дейтерия и трития сопровождается выделением энергии 17,6 МэВ, что составляет ~3,5 МэВ на нуклон.

Синтез ядер водорода в ядра гелия является источ­ником энергии Солнца и звезд, температура в недрах которых достигает 10⁷ — 10⁸К. Этот синтез осуществ­ляется двумя путями. При более низких температурах имеет место протонно-протонный цикл, проте­кающий следующим образом. Вначале происходит син­тез двух протонов с образованием ядра гелия , ко­торое' сразу же претерпевает -радиоактивный распад: .

Образовавшееся ядро тяжелого водорода , сталкиваясь с протоном, объединяется с ним в ядро :

Наконец, последнее звено цикла образует реакция:

.

При более высоких температурах большей вероят­ностью обладает предложенный Г. Бете углеродный (или углеродно-азотный) цикл, который со­стоит из следующих звеньев:

В последней строке ₈0¹⁶ представляет собой составное ядро.

Итогом углеродного цикла является исчезновение четырех протонов и образование одной α-частицы. Количество ядер углерода остается неизменным. Углеродный цикл преобла­дает в звездах с более высокой температурой. Большая часть энергии Солнца выделяется в результате протонно-протонного цикла.

Н а пути осуществления управляемой термоядерной реакции стоят огромные труд­ности. Наряду с необходимостью получить чрезвычайно высокие температуры, возникает проблема удержания плазмы в заданном объеме. Соприкосновение плазмы со стенками сосуда приведет к ее остыванию. Кроме того, стенка из любого вещества при такой температуре не­медленно испарится. Советские физики А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм предложили удерживать плазму в заданном объеме с помощью магнитного поля, высокую температуру в плазме получают, пропуская через нее очень сильный электрический ток. Магнитное поле этого тока сжи­мает разрядный канал, отрывая плазменный шнур от стенок сосуда. Действительно, как следует из рис. 263, лоренцева сила , действующая на любой, движущийся вдоль плазменного шнура заряд, имеет направление к оси шнура. Чтобы избежать необходимости удержи­вать плазму от соприкосновения с концами разрядной трубки, вместо прямой разрядной трубки применяют трубки в виде тороида.

К сожалению, плазменный шнур оказался чрезвы­чайно неустойчивым, так что пока удается удерживать плазму от соприкосновения со стенками разрядной труб­ки в течение очень короткого времени. Достигнутые та­ким путем температуры 10^е К) также недостаточны для возникновения реакции синтеза.

Осуществление управляемого термоядерного синтеза даст человечеству практически неисчерпаемый источник энергии. Поэтому работы по овладению управляемыми термоядерными реакциями ведутся во многих странах.