Главная » Дтп » Все, что нужно знать о термоядерном синтезе. Ядерные реакции. Термоядерный синтез

Все, что нужно знать о термоядерном синтезе. Ядерные реакции. Термоядерный синтез

есть достаточно большие относительные энергии сталкивающихся ядер, необходимы для преодоления электростатического барьера, обусловленного взаимным отталкиванием ядер (как одноимённо заряженных частиц). Без этого невозможно сближение ядер на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил, а следовательно, и «перестройка» ядер, происходящая при Термоядерные реакции Поэтому Термоядерные реакции в природных условиях протекают лишь в недрах звёзд, а для их осуществления на Земле необходимо сильно разогреть вещество ядерным взрывом, мощным газовым разрядом, гигантским импульсом лазерного излучения или бомбардировкой интенсивным пучком частиц.

Термоядерные реакции , как правило, представляют собой процессы образования сильно связанных ядер из более рыхлых и потому сопровождаются выделением энергии (точнее, выделением в продуктах реакции избыточной кинетической энергии, равной увеличению энергии связи). При этом сам механизм этого «экзоэнергетического» сдвига к средней части периодической системы элементов Менделеева здесь противоположен тому, который имеет место при делении тяжёлых ядер: почти все практически интересные Термоядерные реакции - это реакции слияния (синтеза) лёгких ядер в более тяжёлые. Имеются, однако, исключения: благодаря особой прочности ядра 4 (a-частица) возможны экзоэнергетические реакции деления лёгких ядер (одна из них, «чистая» реакция 11 + р ® 3 4 Не + 8,6 Мэв, привлекла к себе интерес в самое последнее время).

Большое энерговыделение в ряде Термоядерные реакции обусловливает важность их изучения для астрофизики, а также для прикладной ядерной физики и ядерной энергетики. Кроме того, чрезвычайно интересна роль Термоядерные реакции в дозвёздных и звёздных процессах синтеза атомных ядер химических элементов (нуклеогенеза).

Скорости Термоядерные реакции В табл. 1 для ряда Термоядерные реакции приведены значения энерговыделения, основной величины, характеризующей вероятность Термоядерные реакции - её максимального эффективного поперечного сечения (s макс, и соответствующей энергии налетающей (в формуле реакции - первой слева) частицы.

Главная причина очень большого разброса сечений Термоядерные реакции - резкое различие вероятностей собственно ядерных («послебарьерных») превращений. Так, для большинства реакций, сопровождающихся образованием наиболее сильно связанного ядра 4 He, сечение велико, тогда как для реакций, обусловленных слабым взаимодействием (например, р + р ® D + е + + n), оно весьма мало.

Термоядерные реакции происходят в результате парных столкновений между ядрами, поэтому число их в единице объёма в единицу времени равно n 1 n 2 <vs(v) >, где n 1 , n 2 - концентрации ядер 1-го и 2-го сортов (если ядра одного сорта, то n 1 n 2 следует заменить на n 2), v - относительная скорость сталкивающихся ядер, угловые скобки означают усреднение по скоростям ядер v [распределение которых в дальнейшем принимается максвелловским (см. Максвелла распределение )].

Температурная зависимость скорости Термоядерные реакции определяется множителем < vs(v) >. В практически важном случае «не очень высоких» температур T < (10 7 ¸10 8) К она может быть приближённо выражена в виде, одинаковом для всех Термоядерные реакции В этом случае относительные энергии Е сталкивающихся ядер, как правило, значительно ниже высоты кулоновского барьера (последняя даже для комбинации ядер с наименьшим зарядом z = 1 составляет ~ 200 Кэв, что соответствует, по соотношению E = kT, T ~ 2×10 9 ) и, следовательно, вид s(v) определяется в основном вероятностью «туннельного» прохождения сквозь барьер (см. Туннельный эффект ), а не собственно ядерным взаимодействием, в ряде случаев обусловливающим «резонансный» характер зависимости s(v) (именно такая зависимость проявляется в наибольших из значений s макс в таблице 1). Результат имеет вид

< vs(v) > = const×Т -2/3 ехр}

где const - постоянная, характерная для данной реакции, Z 1 , Z 2 - заряды сталкивающихся ядер, - их приведённая масса, е - заряд электрона, - Планка постоянная , k - Больцмана постоянная .
Таблица 1

Реакция

Энерговыделение, Мэв

s макс, барн (в области энергий £1 Мэв )

Энергия налетающей частицы, соответствующая s макс, Мэв

p + p ® D + e + + v

p + D ® 3 He + g

D + D ® 3 He + n

D + D ® 4 He + g

D + T ® 4 He + n

T + D ® 4 He + n

T + T ® 4 He + 2n

D + 3 He ® 4 He + p

p + 6 Li ® 4 He + 3 He

p + 7 Li ® 2 4 He + g

D + 6 Li ® 7 Li + p

D + 6 Li ® 2 4 He

Табл. 2. - Водородный цикл

Реакция

Энерговыделение, Мэв

Среднее время реакции

р + р ® D+e + + v

е + + е – ®2g

p + D ® 3 He + g

3 Не + 3 Не ® 4 Не+2р

2×0,164 + (2×0,257)

1,4×10 10 лет

5,7 сек

10 6 лет

Итого 4p ® 4 He + 2e +

26,21 + (0,514)

Водородный цикл разветвляется на 3 варианта. При достаточно больших концентрациях 4 He и T > (10 ¸ 15) млн К, в полном энерговыделении начинает преобладать др. ветвь рр-цикла, отличающаяся от приведённой в таблице 2 заменой реакции 3 He + 3 He на цепочку:

3 He + 4 He ® 7 Be + g, 7 Be + e – ® 7 Li + g,

p + 7 Li ® 2 4 He,

а при ещё более высоких Т - третья ветвь:

3 He + 4 He ® 7 Be + g, р + 7 Ве ® 8 В + g,

Табл. 3. - Углеродный цикл

Реакция	Энерговыделение, Мэв	Среднее время реакции
р + 12 С ® 13 + g	1,95	1,3×10 7 лет
13 ® 13 С + е + + v	1,50(0,72)	7,0 мин
р + 13 С ® 14 + g	7,54	2,7×10 6 лет
р + 14 ® 15 O + g	7,35	3,3×10 8 лет
15 O ® 15 + e + +v	1,73 + (0,98)	82 сек
р + 15 ® 12 С + 4 Не	4,96	1,1×10 5 лет
Итого 4р ® 4 Не + 2е +	25,03 + (1,70)

Мощность этого цикла как источника энергии невелика. Однако он, по-видимому, имеет большое значение для нуклеогенеза, так как одно из промежуточных ядер цикла (21 Ne) может служить источником нейтронов: 21 Ne + 4 He ® 24 Mg + n (аналогичную роль может играть и ядро С, участвующее в - цикле). Последующий «цепной» захват нейтронов, чередующийся с процессами b - -распада, является механизмом синтеза всё более тяжёлых ядер.

Средняя интенсивность энерговыделения e в типичных звёздных Термоядерные реакции по земным масштабам ничтожна. Так, для Солнца (в среднем на 1 г солнечной массы) . Это гораздо меньше, например, скорости энерговыделения в живом организме в процессе обмена веществ. Однако вследствие огромной массы Солнца (2×10 33 г ) полная излучаемая им мощность (4×10 26 вт ) чрезвычайно велика (она соответствует ежесекундному уменьшению массы Солнца на ~ 4 млн. т ) и даже ничтожной её доли достаточно, чтобы оказывать решающее влияние на энергетический баланс земной поверхности, жизни и т. д.

Из-за колоссальных размеров и масс Солнца и звёзд в них идеально решается проблема удержания (в данном случае - гравитационного) и термоизоляции плазмы: Термоядерные реакции протекают в горячем ядре звезды, а теплоотдача происходит с удалённой и гораздо более холодной поверхности. Только поэтому звёзды могут эффективно генерировать энергию в таких медленных процессах, как рр- и - циклы (табл. 2 и 3). В земных условиях эти процессы практически неосуществимы; например, фундаментальная реакция р + p ® D + е + + n непосредственно вообще не наблюдалась.

Термоядерные реакции в земных условиях. На Земле имеет смысл использовать лишь наиболее эффективные из Термоядерные реакции , связанные с участием изотопов водорода D и Т. Подобные Термоядерные реакции в сравнительно крупных масштабах осуществлены пока только в испытательных взрывах термоядерных, или водородных бомб (см. Ядерное оружие ). Энергия, высвобождающаяся при взрыве такой бомбы (10 23 - 10 24 эрг ), превышает недельную выработку электроэнергии на всём земном шаре и сравнима с энергией землетрясений и ураганов. Вероятная схема реакций в термоядерной бомбе включает Термоядерные реакции 12, 7, 4 и 5 (табл. 1). В связи с термоядерными взрывами обсуждались и др. Термоядерные реакции , например 16,14, 3.

Путём использования Термоядерные реакции в мирных целях может явиться управляемый термоядерный синтез (УТС), с которым связывают надежды на решение энергетических проблем человечества, поскольку дейтерий, содержащийся в воде океанов, представляет собой практически неисчерпаемый источник дешёвого горючего для управляемых Термоядерные реакции Наибольший прогресс в исследованиях по УТС достигнут в рамках советской программы «Токамак». Аналогичные программы к середине 70-х гг. 20 в. стали энергично развиваться и в ряде др. стран. Для УТС наиболее важны Термоядерные реакции 7,5 и 4 [а также 12 для регенерации дорогостоящего Т]. Независимо от энергетических целей термоядерный реактор может быть использован в качестве мощного источника быстрых нейтронов. Однако значительное внимание привлекли к себе и «чистые» Термоядерные реакции , не дающие нейтронов, например 10, 20 (табл. 1).

Лит.: Арцимович Л. А., Управляемые термоядерные реакции, 2 изд., М., 1963; Франк-Каменецкий Д. А., Физические процессы внутри звезд, М., 1959; Термоядерные реакции, в кн.: Проблемы современной физики, М., 1954, в. 1; Fowler . A., Caughlan G. R., Zimmerman В. A., «Annual Review of Astronomy and Astrophysics», 1967, v. 5, p. 525.

В. И. Коган.

Статья про слово "Термоядерные реакции " в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 22360 раз

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

(1)

→

4 He

(3.5 MeV)

(14.1 MeV)

(2)

→

(1.01 MeV)

(3.02 MeV)

(50 %)

(3)

→

3 He

(0.82 MeV)

(2.45 MeV)

(50 %)

(4)

3 He

→

4 He

(3.6 MeV)

(14.7 MeV)

(5)

→

4 He

+ 11.3 MeV

(6)

3 He

→

4 He

(7)

3 He

→

4 He

+ 12.1 MeV

(51 %)

(8)

→

4 He

(4.8 MeV)

(9.5 MeV)

(43 %)

(9)

→

4 He

(0.5 MeV)

(1.9 MeV)

(11.9 MeV)

(6 %)

(10)

6 Li

→

4 He

+ 22.4 MeV -

(11)

6 Li

→

4 He

(1.7 MeV)

3 He

(2.3 MeV)-

(12)

3 He

6 Li

→

4 He

+ 16.9 MeV

(13)

11 B

→

4 He

+ 8.7 MeV

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

Ядерные технологии
Инженерия
Материалы
Ядерная энергия
Ядерная медицина
Ядерное оружие

Wikimedia Foundation . 2010 .

Вы уже знаете, что в середине XX в. возникла проблема поиска новых источников энергии. В связи с этим внимание учёных привлекли термоядерные реакции.

Термоядерной называется реакция слияния лёгких ядер (таких как водород, гелий и др.), происходящая при температурах от десятков до сотен миллионов градусов

Создание высокой температуры необходимо для придания ядрам достаточно большой кинетической энергии - только при этом условии ядра смогут преодолеть силы электрического отталкивания и сблизиться настолько, чтобы попасть в зону действия ядерных сил. На таких малых расстояниях силы ядерного притяжения значительно превосходят силы электрического отталкивания, благодаря чему возможен синтез (т. е. слияние, объединение) ядер.

В § 58 на примере урана было показано, что при делении тяжёлых ядер может выделяться энергия. В случае с лёгкими ядрами энергия может выделяться при обратном процессе - при их синтезе. Причём реакция синтеза лёгких ядер энергетически более выгодна, чем реакция деления тяжёлых (если сравнивать выделившуюся энергию, приходящуюся на один нуклон).

Примером термоядерной реакции может служить слияние изотопов водорода (дейтерия и трития), в результате чего образуется гелий и излучается нейтрон:

Это первая термоядерная реакция, которую учёным удалось осуществить. Она была реализована в термоядерной бомбе и носила неуправляемый (взрывной) характер.

Как уже было отмечено, термоядерные реакции могут идти с выделением большого количества энергии. Но для того чтобы эту энергию можно было использовать в мирных целях, необходимо научиться проводить управляемые термоядерные реакции. Одна из основных трудностей в осуществлении таких реакций заключается в том, чтобы удержать внутри установки высокотемпературную плазму (почти полностью ионизированный газ), в которой и происходит синтез ядер. Плазма не должна соприкасаться со стенками установки, в которой она находится, иначе стенки обратятся в пар. В настоящее время для удерживания плазмы в ограниченном пространстве на соответствующем расстоянии от стенок применяются очень сильные магнитные поля.

Термоядерные реакции играют важную роль в эволюции Вселенной, в частности в преобразованиях химических веществ в ней.

Благодаря термоядерным реакциям, протекающим в недрах Солнца, выделяется энергия, дающая жизнь обитателям Земли.

Наше Солнце излучает в пространство свет и тепло уже почти 4,6 млрд лет. Естественно, что во все времена учёных интересовал вопрос о том, что является «топливом», за счёт которого на Солнце вырабатывается огромное количество энергии в течение столь длительного времени.

На этот счёт существовали разные гипотезы. Одна из них заключалась в том, что энергия на Солнце выделяется в результате химической реакции горения. Но в этом случае, как показывают расчёты, Солнце могло бы просуществовать всего несколько тысяч лет, что противоречит действительности.

Оригинальная гипотеза была выдвинута в середине XIX в. Она состояла в том, что увеличение внутренней энергии и соответствующее повышение температуры Солнца происходит за счёт уменьшения его потенциальной энергии при гравитационном сжатии. Она тоже оказалась несостоятельной, так как в этом случае срок жизни Солнца увеличивается до миллионов лет, но не до миллиардов.

Предположение о том, что выделение энергии на Солнце происходит в результате протекания на нём термоядерных реакций, было высказано в 1939 г. американским физиком Хансом Бете.

Им же был предложен так называемый водородный цикл , т. е. цепочка из трёх термоядерных реакций, приводящая к образованию гелия из водорода:

где - частица, называемая «нейтрино», что в переводе с итальянского означает «маленький нейтрон».

Чтобы получились два ядра , необходимые для третьей реакции, первые две должны произойти дважды.

Вы уже знаете, что в соответствии с формулой Е = mс 2 с уменьшением внутренней энергии тела уменьшается и его масса.

Чтобы представить, какое колоссальное количество энергии теряет Солнце в результате превращения водорода в гелий, достаточно знать, что масса Солнца ежесекундно уменьшается на несколько миллионов тонн. Но, несмотря на потери, запасов водорода на Солнце должно хватить ещё на 5-6 миллиардов лет.

Такие же реакции протекают в недрах других звёзд, масса и возраст которых сравнимы с массой и возрастом Солнца.

Вопросы

Какая реакция называется термоядерной? Приведите пример реакции.
Почему протекание термоядерных реакций возможно только при очень высоких температурах?
Какая реакция энергетически более выгодна (в расчёте на один нуклон): синтез лёгких ядер или деление тяжёлых?
В чём заключается одна из основных трудностей при осуществлении термоядерных реакций?
Какова роль термоядерных реакций в существовании жизни на Земле?
Что является источником энергии Солнца по современным представлениям?
На какой период должно хватить запаса водорода на Солнце по подсчётам учёных?

Это любопытно...

Элементарные частицы. Античастицы

Частицы, из которых состоят атомы различных веществ - электрон, протон и нейтрон, - назвали элементарными. Слово «элементарный» подразумевало, что эти частицы являются первичными, простейшими, далее неделимыми и неизменяемыми. Но вскоре оказалось, что эти частицы вовсе не являются неизменяемыми. Все они обладают способностью превращаться друг в друга при взаимодействии.

Поэтому в современной физике термин «элементарные частицы» обычно употребляется не в своём точном значении, а для наименования большой группы мельчайших частиц материи, не являющихся атомами или ядрами атомов (исключение составляет протон, представляющий собой ядро атома водорода и в то же время относящийся к элементарным частицам).

В настоящее время известно более 350 различных элементарных частиц. Частицы эти очень разнообразны по своим свойствам. Они могут отличаться друг от друга массой, знаком и величиной электрического заряда, временем жизни (т. е. временем с момента образования частицы и до момента её превращения в какую-либо другую частицу), проникающей способностью (т. е. способностью проходить сквозь вещество) и другими характеристиками. Например, большинство частиц являются «коротко-живущими» - они живут не более двух миллионных долей секунды, в то время как среднее время жизни нейтрона, находящегося вне атомного ядра, 15 мин.

Важнейшее открытие в области исследования элементарных частиц было сделано в 1932 г., когда американский физик Карл Дейвид Андерсон обнаружил в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле, след неизвестной частицы. По характеру этого следа (по радиусу кривизны, направлению изгиба и пр.) учёные определили, что он оставлен частицей, которая представляет собой как бы электрон с положительным по знаку электрическим зарядом. Эту частицу назвали позитроном.

Интересно, что за год до экспериментального открытия позитрона его существование было теоретически предсказано английским физиком Полем Дираком (существование именно такой частицы следовало из выведенного им уравнения). Более того, Дирак предсказал так называемые процессы аннигиляции (исчезновения) и рождения электрон-позитронной пары. Аннигиляция заключается в том, что электрон и позитрон при встрече исчезают, превращаясь в γ-кванты (фотоны). А при столкновении γ-кванта с каким-либо массивным ядром происходит рождение электрон-позитронной пары.

Оба эти процесса впервые удалось пронаблюдать на опыте в 1933 г. На рисунке 166 показаны треки электрона и позитрона, образовавшихся в результате столкновения γ-кванта с атомом свинца при прохождении γ-лучей сквозь свинцовую пластинку. Опыт проводился в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле. Одинаковая кривизна треков свидетельствует об одинаковой массе частиц, а искривление в разные стороны - о противоположных знаках электрического заряда.

Рис. 166. Треки электрон-позитронной пары в магнитном поле

В 1955 г. была обнаружена еще одна античастица- антипротон (существование которой тоже вытекало из теории Дирака), а несколько позже - антинейтрон. Антинейтрон, так же как и нейтрон, не имеет электрического заряда, но он, бесспорно, относится к античастицам, поскольку участвует в процессе аннигиляции и рождения пары нейтрон-антинейтрон.

Возможность получения античастиц привела учёных к идее о создании антивещества. Атомы антивещества должны быть построены таким образом: в центре атома - отрицательно заряженное ядро, состоящее из антипротонов и антинейтронов, а вокруг ядра обращаются позитроны. В целом атом нейтрален. Эта идея тоже получила блестящее экспериментальное подтверждение. В 1969 г. на ускорителе протонов в г. Серпухове советские физики получили ядра атомов антигелия.

В настоящее время экспериментально обнаружены античастицы почти всех известных элементарных частиц.

Итоги главы. Самое главное

Ниже даны физические понятия и явления. Последовательность изложения определений и формулировок не соответствует последовательности понятий и т. п.

Перенесите в тетрадь названия понятий и в квадратные скобки впишите порядковый номер определения (формулировки), соответствующего данному понятию.

Радиоактивность ;
ядерная (планетарная) модель строения атома ;
атомное ядро ;
радиоактивные превращения атомных ядер ;
экспериментальные методы изучения частиц в атомной и ядерной физике ;
ядерные силы ;
энергия связи ядра ;
дефект масс атомного ядра ;
цепная реакция ;
ядерный реактор ;
экологические и социальные проблемы, возникающие при использовании АЭС ;
поглощённая доза излучения .

Регистрация частиц с помощью счётчика Гейгера, изучение и фотографирование треков частиц (в том числе участвовавших в ядерных реакциях) в камере Вильсона и пузырьковой камере.
Силы притяжения, действующие между нуклонами в ядрах атомов и значительно превосходящие силы электростатического отталкивания между протонами.
Минимальная энергия, необходимая для расщепления ядра на отдельные нуклоны.
Самопроизвольное излучение атомами некоторых элементов радиоактивных лучей.
Устройство, предназначенное для осуществления управляемой ядерной реакции.
Состоит из нуклонов (т. е. из протонов и нейтронов).
Радиоактивные отходы, возможность аварий, содействие распространению ядерного оружия.
Атом состоит из расположенного в его центре положительно заряженного ядра, вокруг которого на расстоянии, значительно превышающем размер ядра, обращаются электроны.
Превращение одного химического элемента в другой при α- или β-распаде, в результате которого ядро исходного атома претерпевает изменения.
Разность между суммой масс нуклонов, образующих ядро, и массой этого ядра.
Самоподдерживающаяся реакция деления тяжёлых ядер, в которой непрерывно воспроизводятся нейтроны, делящие всё новые и новые ядра.
Энергия ионизирующего излучения, поглощённая излучаемым веществом (в частности, тканями организма) и рассчитанная на единицу массы.

Проверь себя

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 термоядерной реакции. Именно эту взаимосвязь нагревания вещества и ядерной реакции и отражает термин «термоядерная реакция».

Кулоновский барьер

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. [ ]

Термоядерные реакции

Некоторые важнейшие экзотермические термоядерные реакции с большими сечениями:

(1)

→

(3,5 MeV)

(14,1 MeV)

(2)

→

(1,01 MeV)

(3,02 MeV)

(50 %)

(3)

→

3 He

(0,82 MeV)

(2,45 MeV)

(50 %)

(4)

3 He

→

4 He

(3,6 MeV)

(14,7 MeV)

(5)

→

4 He

+ 11,3 MeV

(6)

3 He

→

4 He

(+12,85 MeV)

(7)

3 He

→

4 He

+ 12,1 MeV

(51 %)

(8)

→

4 He

(4,8 MeV)

(9,5 MeV)

(43 %)

(9)

→

4 He

(0,5 MeV)

(1,9 MeV)

(11,9 MeV)

(6 %)

(10)

→

4 He

+ 22,4 MeV -

(11)

6 Li

→

4 He

(1,7 MeV)

3 He

(2,3 MeV)

(12)

3 He

6 Li

→

4 He

+ 16,9 MeV

(13)

→

4 He

+ 8,7 MeV

(14)

6 Li

→

4 He

+ 4,8 MeV

Мюонный катализ

Мюоны µ − , вступая во взаимодействие с термоядерным топливом, образуют мезомолекулы, в которых расстояние между ядрами атомов топлива многократно (≈200 раз) 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 - энергетический выход катализируемой 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.

1.9. Термоядерные реакции.

Термоядерные реакции на Солнце и звездах. Водородный цикл. Углеродный цикл. Нуклеосинтез. Термоядерный взрыв. Управляемый термоядерный синтез

Термоядерные реакции – реакции слияния (синтеза) легких атомных ядер в более тяжелые, происходящие при очень высоких температурах (более 10 8 К ). Термоядерные реакции – это процесс образования плотно упакованных ядер из более рыхлых легких ядер. Это экзоэнергетические реакции, идущие с выделением в продуктах реакции избыточной кинетической энергии, равной увеличению полной энергии связи.

Для всех реакций синтеза ядер необходимо сблизить реагирующие ядра на расстояние радиуса действия ядерных сил. Для этого следует преодолеть электростатический кулоновский барьер отталкивания ядер. На рис 1.15 показан график зависимости потенциальной энергии от расстояния между ядрами.

Рис. 1.15. Потенциальная энергия межъядерного взаимодействия как функция расстояния между ядрами. Штриховкой показано «срезание» барьера отталкивания на боровском радиусе отрицательного мюона в кулоновском поле ядра

Чтобы преодолеть кулоновский барьер, необходима энергия сталкивающихся ядер ~ 0,1 МэВ. Механизмы преодоления кулоновского барьера следующие:

1. Бомбардировка ядер пучком дейтронов бесперспективна. Энергия дейтронов будет тратиться на ионизацию и возбуждение электронов в атомах мишени. Эффективное сечение взаимодействия дейтронов с электронами σ e ~ 10 -16 см 2 , а с ядрами σ я ~ 10 -24 см 2 σ e >> σ я.

2. Мюонный катализ (теоретически возможен, экспериментально не реализован). Кулоновское поле ядра можно экранировать мюоном («тяжелым электроном» с временем жизни 2,2 . 10 -6 сек) на боровской орбите. Размер атома уменьшается в 212 раз, т.к. . Образуются мезомолекулярные ионы. DH μ . Возможна реакция

3. «Смятие» внешней широкой части потенциального кулоновского барьера показано штриховкой (на рис.1.15). Осуществляется силой тяготения , создающей колоссальное давление при плотности плазмы >> 10 4 г/см 3 в звездах.

4. При нагреве вещества до температуры ядер Т Я ~ 10 9 К, (1эВ соответствует 11 000 К, 0,1МэВ = 10 5 эВ ~ 10 9 К). Вещество при таких температурах образует высокотемпературную плазму. Механизм реализован в земных условиях.

Примеры термоядерных реакций:

1. Реакция синтеза изотопов водорода дейтрона и тритона с образованием ядра гелия и нейтрона:

Сечение реакции σ ма x = 5 барн. Энергия налетающего дейтрона Т d = 0,1 МэВ. Энерговыделение на один нуклон в термоядерной реакции синтеза ( МэB/нуклон) превышает выделение энергии на 1 нуклон в ядерной реакции деления урана-235 (q дел = 200/235 = 0,85 МэB/нуклон) в 4 раза.

2. Реакция синтеза двух дейтронов:

1-й выходной канал: сечение реакции σ ма x = 0,09 барн, Т d = 1 МэВ.

2-й выходной канал: сечение реакции σ ма x = 0,16 барн, Т d = 2 МэВ.

Сечения термоядерных реакций при малых значениях энергий (Е
,

где А и В постоянные.

Скорости термоядерных реакций

Термоядерные реакции происходят в результате парных столкновений между ядрами. Число столкновений в единице объема в единицу времени равно

N 12 = n 1 n 2 v σ (v )> ,
Термоядерный взрыв

Искусственная термоядерная реакция реализуется в земных условиях в неуправляемом режиме в термоядерном (водородном) устройстве, где температура > 10 7 K создается взрывoм плутониевого или уранового детонатора. Вещество дейтери – гидрид лития . Время разлета составляет микросекунды. Вероятная схема реакций

МэB, (1.94)

МэB. (1.97)
Нейтроны для реакции (1.97) происходят от деления ядер . Основная энергия выделяется в реакциях (1.96) и (1.97), которые образуют цикл, взаимно поддерживая друг друга и оставляют без изменения количество нейтронов и ядер трития. Реакции (1.94) и (1.95) служат начальным источником нейтрон и ядер трития. Скорость реакции (1.94) и (1.95) в 100 раз меньше, чем скорость реакций (1.96) и (1.97) .
Управляемый термоядерный синтез (УТС)

Управляемый термоядерный синтез – процесс слияния легких атомных ядер , проходящий с выделением энергии при высоких температурах в регулируемых управляемых условиях. УТС до сих пор не реализован (2010г.).

Для реакции синтеза необходимо сблизить ядра на расстояние ~ 10 –11 см, после чего начинается слияние ядер за счет туннельного эффекта. Для протонов необходима энергия 10 кэB, что соответствует Т = 10 8 К.

Все работы по УТС основаны на осуществлении реакции

Воспроизводство трития можно осуществить, окружив рабочую зону слоем лития, и использовать реакцию

Пусть τ – среднее время удержания частиц в активной зоне , n – концентрация частиц (ядер). Пусть коэффициент преобразования в электрическую энергию энергии ядерной реакции. энергии электромагнитного излучения плазмы и тепловой энергии частиц плазмы одинаков и равен . В условиях стационарной работы системы при нулевой полезной мощности уравнение баланса энергии в термоядерном реакторе имеет вид нагревание очень малых объемов термоядерного вещества.

Работы по УТС продолжаются путем создания термоядерных реакторов на основе токамака (тороидальной камеры с дейтериево-тритьевой плазмой и тороидальным магнитным полем) и стелларатора (тороидальная система с дейтериево-тритьевой плазмой и магнитным полем, создаваемым внешними обмотками).

Схема Международного термоядерного реактора – экспериментального реактора-токамака ИТЭР представлена на рис.1.17. Его параметры: большой радиус плазмы 8,1 м, малый радиус плазмы 3 м, тороидальное магнитное поле на оси 5,7 Тл, номинальный ток плазмы 21 МА, номинальная термоядерная мощность с дейтерий-тритьевым топливом 1500 МВт. Реактор содержит следующие основные узлы: соленоид 1, индуцированное или электрическое поле осуществляет пробой газа и нагревает плазму , первая стенка 9 обращена к высокотемпературной плазме и воспринимает поток тепла в виде излучения и частиц, бланкет 2 – защита, в которой воспроизводится тритий, сгоревший в плазме, катушки 8 из сверхпроводника NB 3 Sn создают тороидальное магнитное поле. Дивертор 10 служит для отвода тепла из плазмы в виде потока заряженных частиц и откачки продуктов реакции гелия и протия (водорода). Вакуумная камера 4 и средства откачки 5 создают высокий вакуум в рабочей камере реактора , где создается плазма. Строительство намечено во Франции (2010 г.). Участники проекта: Россия, США, Евроатом, Япония. Стоимость порядка 2 млрд. долл.

Рис.1.17. Проект международного термоядерного реактора ИТЭР

Просмотров