Лекция 17. Термоядерные реакции. Элементарные частицы
Второй путь получения энергии при ядерных реакциях – реакции синтеза легких ядер (см. Лекция 16. Раздел 16.1).
17.1. Реакции синтеза легких ядер
Условия для протекания таких реакция:
1
.
Ранее (см. Лекция 16, раздел 16.1) было
показано, что для преодоления кулоновских
сил отталкивания двух ядер с порядковыми
номерами Z1
и Z2,
требуется энергия Е
0,7 МэВ, причем Z1
= Z2
= 1. Отсюда
следует, что на долю одного ядра приходится
Е
0,35 МэВ. Если принять ее за среднюю
тепловую энергию, то ей соответствует
Т
109
, К, тогда для протекания реакции синтеза
необхо -
дима высокая температура.
2. Синтез легких ядер может происходить при гораздо меньших температурах, так как из – за случайного распределения частиц по скоростям (распределение по скоростям, см. "Механика . . .". Лекция 13) всегда существуют такие, для которых Е > 0,35 МэВ.
3. Слияние ядер может осуществляться вследствие туннельного эффекта, т. е. частицы взаимодействуют друг с другом, преодолевая потенциальный барьер между ними, под барьером.
4
.
Некоторые из реакций синтеза носят
резонанс -
ный характер
,
причем
,
т. е. примерно в четыре раза больше, чем
реакция деления
,
где
.
Синтез ядер
водорода в ядра гелия (
)
является источником энергии Солнца и
звезд.
Термоядерные реакции на Солнце (Т 107, К) протекают в форме термоядерных циклов. Одним из таких является протон – протонный цикл. В ходе всех процессов внутри цикла ядра водорода (протоны) превращаются в ядра гелия по схеме
- протон
- квант
- дейтерий
- символ
.
- частицы
Из схемы следует, что взаимодействующие протоны не исчезают, а вновь образуются в ходе цикла. Реакции возможны, если исходные протоны имеют Е > Еотт, где Еотт - энергия отталкивания протонов. В ходе цикла образуются ядра гелия и возникает излучение в виде - квантов.
В углеродно – азотном цикле (Т > 107, К - осуществляется на звездах) ядра углерода являются катализаторами реакции соединения ядер водорода в ядро гелия:
(1 раз в 2,7 млн лет)
(1 раз в 32 млн лет )
(1 раз в 100 тыс. лет)
Из схемы следует:
а) В ходе протекания цикла исчезают 4 протона и образуется одна - частица.
б) Ядра азота и кислорода являются катализаторами процесса.
в) На одно ядро
в ходе цикла выделяется энергия Е
= = 26,8 МэВ. Этого количества энергии
достаточно для "компенсации"
энергии излучения Солнца.
г) Отдельные реакции цикла отделены друг от друга длительными промежутками по времени, однако цикл замкнут и происходит непрерывно, поэтому все стадии цикла происходят непрерывно, так как начались в разные моменты времени.
Условия, близкие к тем, какие реализуются на Солнце или звездах, были осуществлены при взрыве водородной бомбы, где идет самоподдерживающаяся термоядерная реакция
.
Теоретической основой искусственных управляемых термоядерных реакций являются реакции типа
.
В ходе протекания цикла на 1 г выделяется энергия 200 МВт/час.
В реакциях будущего может быть использована и следующая
.