VI. Реакция синтеза.Энергия солнца и звезд.

Вторым видом ядерных реакций, при которых происходит выделение энергии, являются реакции синтеза атомных ядер – термоядерные реакции, текущие при высоких температурах и давлениях. Эти реакции представляют наибольший интерес, так как из всех известных науке превращений вещества, происходящих с выделением энергии, термоядерные реакции дают наибольшее ее количество на единицу массы используемого вещества.

Например, при образовании:

(выделяется-квант энергии 17,6 МэВ)

(выделяется 24 МэВ)

Если произвести пересчет на 1 кг дейтерия, то получим энергию выделяющуюся при синтезе:

Е = ΔE·N= 24 МэВ·1,5·10²⁶= 3,6·10²⁷МэВ = 11,5·10¹⁶Дж

(в тоже время 1 кг урана даёт 8·10¹³Дж) т.е. на 3 порядка больше, чем при использовании 1 кг урана. Необходимо отметить, что такая реакция может происходить лишь при очень высоких температурах и давлениях (отсюда и название – термоядерная), т.е. нужно преодолеть огромные силы отталкивания между ядрами. Для примера можно сказать, что для дейтерия необходима температура2·10⁶К.

Получение термоядерной энергии в настоящее время достигается практически в виде взрывной реакции (как пример, водородная бомба). Однако недалеко уже то время, когда термоядерные реакции можно будет получать в таком виде, когда станет возможным их энергетическое применение, что показано работами советских ученых, проведенных под руководством академиков И.В. Курчатова и Л.А. Арцимовича.

А о том, что сулит народному хозяйству успешное решение этих проблем, можно видеть хотя по следующему отрывку из статьи академика И.Е. Тамма “Из дейтерия ... на миллиарды лет” стр. 156 (Блудов М.И.г.2)

Остановимся вкратце на вопросе энергии Солнца и звезд.

Солнце излучает каждую секунду с теплом и светом ~ 4·10²⁶Дж. Все человечество на Земле потребляет за год меньшее количество энергии, чем Солнце испускает за 0,000001 секунды и светит примерно 5 млр. лет. Никакое химическое горючее не может быть источником с такой энергией. Каков источник энергии?

На Солнце протекают термоядерные реакции. Солнце богато водородом (около 50% массы Солнца, что примерно составляет 2·10³⁰кг), температура поверхности около 6000 °С, а внутри в пределах 1,2·10⁷К1,5·10⁷К.

При такой температуре вещество представляет собой плазму – смесь протонов, электронов, легких ядер. В этих условиях основной источник энергии связан с превращением водорода в гелий. Были указаны два предположительных цикла такого превращения:

а) протонно-протонный цикл Бете и Кричфильда (1938 год):

(5,5 МэВ)

(12,8 МэВ)

б) углеродно-азотный цикл Бете (1939 год):

В этом цикле конечным результатом является превращение водорода в гелий, углерод при этом служит катализатором. Источником энергии большинства звезд, как Солнца, являются термоядерные реакции синтеза водорода в гелии.

Термоядерные реакции дают наибольший выход энергии на единицу массы «горючего», чем любые другие превращения, в том числе и деление тяжелых ядер. Например, количество дейтерия в 1 литре воды энергетически эквивалентно примерно 300-350 литрам бензина. Поэтому заманчива перспектива осуществления управляемых термоядерных реакций искусственным путем.

В земных условиях реакции синтеза осуществляются пока в виде термо­ядерных взрывов, являющихся неуправляемой реакцией. Взрывчатым вещест­вом является смесь дейтерия и трития, а запалом – «обычная» атомная бомба, при взрыве которой «генерируется» необходимая для проведе­ния термоядерной реакции температура.

Для осуществления управляемой термоядерной реакции, овладение ко­торой даст человечеству практически неисчерпаемый источник энергии, необ­ходимо, чтобы плазма была достаточно сильно нагрета. Как показал Дж. Л. Лоусон (1957 год), выход энергии в термоядерном реакторе превысит энергетические затраты, если произведение концентрации nчастиц в плазме на время удержа­ния τ будет удовлетворять неравенству (критерию Лоусона):

nτ >10^-14см ^-3·c(Т > 10⁸К);

nτ >10^-14см ^-3·с (Т > 10⁹К).

В последние годы удалось вплотную подойти к критерию Лоусона, но нужная величина nτ все еще не достигнута.