Синтез ядер(уч.11кл.Стр.378-383)

Термоядерные реакции

Энергия термоядерных реакций

Термоядерный синтез

Управляемый термоядерный синтез

Неуправляемый термоядерный синтез. Водородная бомба

Энергия в ядерных реакциях выделяется не только за счет деления тяжелых ядер, но и за счет соединения легких. Выделяющаяся энергия оказывается наибольшей при слиянии ядер легких элементов, обладающих минимальной энергией связи.

Примером термоядерной реакции служит синтез гелия из дейтерия и трития:

или

Выделяемая энергия равна разности связи тяжелого ядра и двух легких ядер (17.6МэВ)

Образующийся при реакции нейтрон приобретает 70% этой энергии.

Сравнение энергий, приходящихся на один нуклон, в реакциях деления (0.9МэВ) и синтеза (17.6МэВ) показывает, что реакция синтеза легких ядер энергетически более выгодна, чем реакция деления тяжелых.

Слияние ядер происходит под действием сил ядерного притяжения. Поэтому они должны сблизиться на расстояние меньшее 10^-14м, на которых действуют ядерные силы. Этому сближению препятствует кулоновское отталкивание заряженных ядер. Для его преодоления ядра должны обладать кинетической энергией, превышающей потенциальную энергию их кулоновского отталкивания, что возможно при температуре плазмы около 10⁷-10^8оК.

Управляемая термоядерная реакция возможна при нагревании вещества до соответствующей температуры путем пропускания электрического тока или с помощью лазера.

Оценим потенциальную энергию взаимодействия ядер дейтерия и трития, имеющих заряд +е и сблизившихся на расстояние r = 10^-14м:

W = k = 9*10⁹* ≈ 2.3*10^-14Дж = 0.14МэВ

Средняя кинетическая энергия ядер определяется температурой:

= kT

Преодолеть кулоновское отталкивание смогут лишь ядра с кинетической энергией:

≥ W

или температурой:

T ≥ ≈ 10⁹K

Реакции слияния легких ядер могут протекать лишь при температурах порядка нескольких миллионов градусов и потому называются термоядерными ( лат. therme – тепло)

Термоядерный синтез - реакция, в которой при высокой температуре, большей 10⁷К, из легких ядер синтезируются более тяжелые.

Термоядерный синтез – источник энергии всех звезд и солнца. Основным процессом в звездах является превращение водорода в гелий.

Большую кинетическую энергию, необходимую для термоядерного синтеза, ядра водорода получают в результате гравитационного притяжения к центру звезды.

Управляемый термоядерный синтез

УТС представляет практически неисчерпаемый источник энергии.

Дейтерий, необходимый для наиболее эффективной реакции, содержится в морской воде в виде молекул H₂0, D₂0. Тритий можно получать в ядерном реакторе в результате облучения жидкого лития, запасы которого огромны, нейтронами:

Важнейшее преимущество УТС то, что в отличие от реакций деления тяжелых ядер, при синтезе не образуются радиоактивные отходы.

При нагревании газа до температур порядка 10⁷К атомы водорода ионизуются. Это позволяет сообщать ионам плазма достаточную кинетическую энергию за счет ускоряющего электрического поля.

Удержание высокотемпературной плазмы в замкнутом объеме возможно в магнитном поле.

При движении заряженных частиц в цилиндрическом объеме плазмы возникает электрический ток. Вокруг тока возникает магнитное поле, линии индукции которого представляют концентрические окружности. На ток со стороны магнитного поля действует сила Ампера, сжимающая плазму и удерживающая ее в цилиндрическом объеме.

Из-за неоднородности магнитного поля силы сжатия плазмы оказываются различными в различных сечениях разряда. Поэтому нарушается конфигурация плазменного столба и разряд становится неустойчивым. Для уменьшения пространственной неоднородности разряда российские физики А.Д.Сахаров и И.Е.Тамм предложили применять плазменную конфигурацию в виде бублика (тора), что и используется на установке УТС «Токамак», где удалось нагреть плазму до 1.3*10⁷К.

Удержать возникающую плазму в течении необходимого для поддержания термоядерной реакции времени пока не удается.

Неуправляемый термоядерный синтез. Водородная бомба

Осуществлен при взрыве водородной бомбы.

Термоядерным зарядом является твердое вещество дейтерий лития LiD. В его состав помимо дейтерия входит изотоп лития . В качестве запала используется атомная бомба.

Сначала происходит атомный взрыв, сопровождающийся резким ростом температуры и возникновением мощного потока нейтронов. В результате реакции нейтронов с изотопом лития образуется тритий:

Наличие дейтерия и трития при высокой температуре инициирует термоядерную реакцию, которая дает основное выделение энергии при взрыве.

или

Если корпус бомбы изготовлен из природного урана , то быстрые нейтроны (уносящие 70% энергии, выделяющейся при термоядерной реакции) вызывают цепную неуправляемую реакцию деления урана. Возникает третья фаза взрыва водородной бомбы.

Первая водородная бомба испытана в СССР в 1953 году.

Термоядерный взрыв 20Мт уничтожает все живое на расстоянии до 140 км от эпицентра.