ГРУППА 208. Термоядерные реакции. Применение ядерной энергии

       Ядерные реакции между легкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких температурах (10⁷- 10⁸ К), называются термоядерными реакциями. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии, которое называется плазмой. В этих реакциях ядрам, испытывающим взаимное кулоновское отталкивание, удается, преодолев соответствующий электростатический барьер, сблизиться на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил притяжения и совершить ту или иную экзоэнергетическую (т. е. сопровождающуюся выделением энергии) ядерную перестройку.

 Под «выделением энергии» подразумевается выделение в продуктах реакции избыточной кинетической энергии, равной увеличению суммарной энергии связи. Таким образом, относительно рыхлые ядра перестраиваются в более прочно связанные, а поскольку ядра с наибольшей энергией связи на один нуклон находятся в средней части периодической системы Менделеева, то наиболее типичным механизмом экзоэнергетической реакции является слияние (синтез) легчайших ядер в более тяжелые. 

Ниже приведены несколько основных реакций слияния ядер и указаны для них значения энерговыделения Q. d означает дейтрон − ядро ²Н, t означает тритон − ядро ³Н.

d + d → ³He + n + 4.0 МэВ,

d + d → t + p + 3.25 МэВ,

t + d → ⁴He + n + 17.6 МэВ,

³He + d → ⁴He + p + 18.3 МэВ.

Термоядерные реакции во Вселенной

Термоядерные реакции в звездах являются основным источником энергии звезд и механизмом образования ядер химических элементов. Для нормальных звезд главным процессом является сгорание водорода и превращение его в гелий. Четыре протона через цепочку ядерных реакций превращаются в ядро гелия , два позитрона и два нейтрино c выделением энергии Q = 26, 73 МэB. Этот результат получается в водородном цикле (p,p) и в углеродно-азотном цикле (C,N):

    

Самоподдерживающиеся термоядерные реакции являются эффективным источником ядерной энергии. Однако осуществить их на Земле сложно, так как для этого нужно удерживать высокие концентрации ядер при огромных температурах. Необходимые условия для протекания самоподдерживающихся термоядерных реакций имеются в звёздах, где они являются главным источником энергии. Так внутри Солнца, где находятся ядра водорода при плотности ≈100 г/см³ и температуре 10⁷ К, идёт цепочка термоядерных реакций превращения четырёх протонов (ядер водорода) в ядро гелия-4 (⁴Не). При каждом таком превращении выделяется энергия 26.7 МэВ. 

Углеродно-азотный цикл – последовательность термоядерных реакций в звездах с участием катализаторов, приводящая к образованию гелия из водорода. 

Для звезд-гигантов с плотными, выгоревшими (по содержанию H) ядрами существенны гелиевый и неоновый циклы термоядерных реакций. Они протекают при значительно более высоких температурах и плотностях, чем PP–CN-циклы. Основной реакцией гелиевого цикла, идущей начиная с T ≈ 200 млн. К, является т. н. процесс Солпитера (3α-реакция):

(процесс двухступенчатый, идущий через промежуточное ядро ⁸Be).

Далее могут следовать реакции:  ,

в этом состоит один из механизмов нуклеосинтеза – создание химических элементов.

Если продукты реакции гелиевого цикла вступят в контакт с Н, то осуществляется неоновый (Ne – Na) цикл, в котором ядро ²⁰Ne играет роль катализатора для процесса сгорания Н в Не. Последовательность реакций здесь вполне аналогична CN-циклу, только ядра ¹²C, ¹³N, ¹³C, ¹⁴N, ¹⁵O, ¹⁵N заменяются соответствующими ядрами ²⁰Ne, ²¹Na, ²¹Ne, ²²Na, ²³Mg, ²³Na. Мощность этого цикла как источника энергии невелика. Но он, по-видимому, имеет большое значение для нуклеосинтеза, т. к. одно из промежуточных ядер цикла (²¹Ne) может служить источником нейтронов:(аналогичную роль может играть и ядро¹³C, участвующее в CN-цикл е). Последующий «цепной» захват нейтронов, чередующийся с процессами β-распада, является механизмом синтеза все более тяжелых ядер.

      На Земле самоподдерживающиеся термоядерные реакции с выделением огромной энергии осуществлялись в течение очень короткого времени (10^-7–10^-6 сек) при взрывах водородных бомб. Одной из основных термоядерных реакций, обеспечивающих энерговыделение при таких взрывах, является реакция слияния двух тяжёлых изотопов водорода (дейтерия и трития) в ядро гелия с испусканием нейтрона:

2Н + ³Н   ⁴Не + n.

При этом освобождается энергия 17.6 МэВ.
В настоящее время ведутся работы по созданию термоядерного реактора, где ядерную энергию в промышленных масштабах предполагается получать за счёт управляемого термоядерного синтеза.

Устройство для проведения термоядерных реакций – термоядерный реактор – находится в стадии разработки. Основное требование, которому должен удовлетворять реактор, заключается в том, чтобы энерговыделение в результате термоядерных реакций с избытком компенсировало затраты энергии от внешних источников на поддержание реакции.

Типы термоядерных реакторов

К первому относятся реакторы, которым энергия от внешних источников необходима только для зажигания термоядерной реакции. Далее реакция поддерживается за счет выделяющейся в плазме энергии. Например, в дейтерий-тритиевой смеси на поддержание высокой температуры (Т ≈ 8 кэВ или 10⁸ К) расходуется энергия α-частиц (3,52 МэВ), образующихся в ходе реакций при их кулоновском торможении в плазме.

К другому типу реакторов относятся те, в которых для поддержания горения реакций недостаточно энергии, выделяющейся в плазме в виде заряженных продуктов реакции, а необходима энергия от внешних источников. Такие реакторы принято называть реакторами с поддержанием горения термоядерных реакций. Это происходит в тех реакторах, где велики энергетические потери, например открытая магнитная ловушка.

ЗАДАНИЕ:

1.      Что можно сказать о массе покоя при делении лёгких ядер? 

2.      При каких температурах происходит слияние лёгких ядер? (

3.      Что такое термоядерная реакция? 

4.      Что необходимо для слияния ядер и как можно преодолеть кулоновское отталкивание ядер? ( 

5.      Во сколько раз при слиянии дейтерия с тритием выделяется больше энергии, чем при делении урана )

6.      Какое происхождение имеет энергия излучения Солнца и звёзд?

7.      Чем сопровождаются термоядерные реакции?

8.      Какая реакция является перспективной реакцией неисчерпаемого источника энергии? (

9.      Какая энергия в этой реакции выделяется? 

11.  Как можно удержать плазму? 

12.  Какое ещё кроме энергетического преимущества есть при термоядерных реакциях?

13.  Какую реакцию удалось осуществить?