Ядерные и термоядерные реакции. Что такое термоядерная реакция

Протекающая при очень высокой температуре (выше 108 К). При этом образуется большое количество энергии в виде нейтронов с высоким энергетическим показателем и фотонов - частиц света.

А следовательно, и большие энергии ядер, которые сталкиваются, необходимы для преодоления электростатического барьера. Этот барьер обусловлен взаимным отталкиванием ядер (как одноименно заряженных частиц). Иначе они не смогли бы сблизиться на расстояние, достаточное для действия ядерных сил (а это примерно 10-12 см).

Термоядерная реакция представляет собой процесс образования ядер, которые сильно связаны между собой, из более рыхлых. Почти все подобные реакции относятся к реакциям слияния (синтеза) более легких ядер в тяжелые.

Необходимая для преодоления взаимного отталкивания, должна увеличиваться по мере увеличения заряда ядра. Поэтому легче всего проходит синтез легких ядер, обладающих малым электрическим зарядом.

В природе термоядерная реакция может протекать лишь в недрах звезд. Для ее осуществления в земных условиях необходимо разогреть вещество одним из возможных способов:

• ядерным взрывом;
• бомбардировкой интенсивным пучком частиц;
• мощным импульсом лазерного излучения или газовым разрядом.

Термоядерная реакция, которая идет в недрах звезд, играет архиважную роль в эволюции Вселенной. Во-первых, из водорода в звездах образуются ядра будущих химических элементов, а во-вторых, это энергетический источник звезд.

Термоядерные реакции на Солнце

На Солнце в качестве основного источника энергии выступают реакции протон-протонного цикла, когда из четырех протонов рождается одно ядро гелия. Энергия, которая выделяется в процессе синтеза, уносится образующими ядрами, нейтронами, нейтрино и квантами электромагнитного излучения. Изучая идущий от Солнца поток нейтрино, ученые могуть установить, природу и интеснивность ядерных реакций, которые происходят в его центре.

Средняя интенсивность энерговыделения Солнца по земным меркам ничтожна - всего 2 эрг/с*г (на 1 грамм солнечной массы). Эта величина гораздо меньше, чем скорость электровыделения в живом организме в процессе стандартного обмена веществ. И только благодаря огромной массе Солнца (2*1033 г) общий объем излучаемой им мощности составляет такую гигантскую величину, как 4*1028 Вт.

Благодаря огромным размерам и массе Солнца и остальных звезд, проблема удержания и термоизоляции плазмы решается в них идеально: реакции протекают в горячем ядре, а теплоотдача происходит с более холодной поверхности. Только поэтому звезды могут настолько эффективно производить энергию в столь медленных процессах, как протон-протонных цикл. В земных условиях такие реакции практически неосуществимы.

Термоядерная энергетика - основа будущего

На нашей планете есть смысл применять и использовать только наиболее эффективные из термоядерных реакций - прежде всего синтез гелия из ядер лейтерия и трития. Подобные реакции в сравнительно крупных масштабах осуществимы пока только в испытательных взрывах водородных бомб. Тем не менее, постоянно ведутся все новые разработки с целью эффективного получения мирной электроэнергии. Традиционная атомная энергетика использует реакцию распада, а в термоядерной энергетике задействован синтез. При этом термоядерная реакция имеет ряд неоспоримых преимуществ перед реакцией ядерного распада.

1. При термоядерных реакциях есть возможность избежать выделения радиоактивного излучения, поскольку энергетическим продуктом в данном случае является «чистая» энергия света.

2. По количеству получаемой энергии термоядерные процессы намного обгоняют традиционные атомные реакции, которые используются в современных реакторах.

3. Чтобы поддерживать реакцию ядерного распада, необходим постоянный контроль потока нейтронов, иначе может последовать неуправляемая цепная реакция, опасная для человечества. Для получения термоядерной энергии вместо потока нейтронов используется высокая температура, поэтому подобные риски исчезают.

4. Топливо для термоядерных реакций безвредно, в отличие от продуктов распада реакторов.

Не так давно американские ученые сумели создать рабочую модель термоядерной реакции, в которой энергоотдача в сто раз превышает энергозатраты. Это является хорошей заявкой на дальнейшее успешное "приручение" термоядерной энергетики.

Общеизвестно, что при делении тяжелых ядер атомов во время ядерных реакций выделяется большое количество энергии. Однако удалось установить, что при слиянии легких ядер выделяется еще большее количество энергии. Такие реакции назвали термоядерными.

Природа термоядерных реакций

Термоядерные реакции – это реакции слияния легких ядер, протекающие при высоких температурах с выделением большого количества энергии. Синтез гелия из водорода протекает при t = 108 ˚C. При синтезе одного грамма гелия выделяется 4,2*1011 Дж. Эта энергия эквивалентна энергии, выделяющейся при полном делении 4 граммов урана или при сжигании 10 тонн дизтоплива. Термоядерные реакции можно встретить в звездах, где температура и давление вещества создают пригодные условия для осуществления слияний.

В термоядерной реакции синтеза гелия участвуют изотопы водорода: тритий и дейтерий:

(1^2)H+(1^3)H→(2^4)He+(0^1)n

При слиянии дейтерия и трития в ядро гелия выделяется нейтрон и энергия E = 17,6 МэВ.

Условия протекания термоядерных реакций

Для протекания термоядерных реакций нужны определенные условия. Требуется сблизить ядра указанных изотопов. Ядра атомов имеют положительный заряд, и, следовательно, при их сближении действуют кулоновские силы , расталкивающие эти заряды.

Соответственно, для слияния ядер необходимо преодолеть отталкивающие силы. Это возможно лишь в случае, если сами ядра обладают очень большой энергией, в первую очередь, кинетической энергией движения , то есть тогда, когда их скорость достаточно велика.

Ядра изотопов могут обладать такой скоростью только при очень высокой температуре. Необходимо придать частицам скорость достаточную, чтобы они могли приблизиться друг к другу на расстояние ≈ 10^-14 м. На таком расстоянии уже начинают действовать ядерные силы притяжения .

Подобной температуры можно добиться лишь при взрыве атомной бомбы. То есть, чтобы произвести термоядерную реакцию, надо произвести сначала ядерную реакцию, и тогда температуры будет достаточно для сближения ядер изотопов водорода и осуществления термоядерной реакции. Такой процесс был реализован в водородной бомбе – самой мощной из изобретенных человеком.

Управляемые термоядерные реакции

Однако на сегодняшний день неуправляемая термоядерная реакция – это уже не актуально. Необходимо освоить управляемую термоядерную реакцию, дабы преобразовывать получаемую энергию в электрическую. Но есть проблема. При достижении температуры, достаточной для осуществления реакции слияния легких ядер, вещество уже перестает быть не только твердым, жидким или газообразным, оно становится плазмой .

То есть, любой реактор моментально испарится при таких температурах. Здесь требуется совершенно иной подход. На сегодняшний день удается удерживать плазму на ограниченной территории с помощью сверхмощных электрических магнитов . Но полноценно использовать получаемую в результате термоядерной реакции энергию пока не удается.

В ходе урока все желающие смогут получить представление о теме «Термоядерная реакция». Вы узнаете, что представляет собой термоядерная реакция, или реакция синтеза. Узнаете, какие элементы и при каких условиях могут вступить в данный вид реакции, и познакомитесь с разработками использования термоядерной реакции в мирных целях.

Термоядерными реакциями (или просто термоядом) называют реакции слияния легких ядер в одно целое новое ядро, в результате которого выделяется большое количество энергии. Оказывается, большая энергия выделяется не только в результате деления тяжелых ядер, еще больше энергии выделяется, когда легкие ядра сливаются вместе, соединяются. Этот процесс называют синтезом . А сами реакции - термоядерным синтезом, термоядерными реакциями.

Какие же элементы участвуют в этих реакциях? Это в первую очередь изотопы водорода и изотопы гелия. Для примера можно привести следующую реакцию:

Два изотопа водорода (дейтерий и тритий), соединяясь вместе, дают ядро гелия, еще образуется нейтрон. Когда протекает такая реакция, выделяется огромная энергия Е = 17,6 МэВ.

Не забывайте, что это всего лишь на одну реакцию. И еще одна реакция. Два ядра дейтерия, сливаясь вместе, образуют ядро гелия:

В этом случае выделяется тоже большое количество.

Обращаю ваше внимание: чтобы такие реакции протекали, нужны определенные условия. В первую очередь нужно сблизить ядра указанных изотопов. Ядра имеют положительный заряд, в данном случае действуют кулоновские силы, которые расталкивают эти заряды. Значит, нужно преодолеть эти кулоновские силы, чтобы приблизить одно ядро к другому. Это возможно только в том случае, если сами ядра обладают большой кинетической энергией, когда скорость у этих ядер довольно велика. Чтобы добиться этого, нужно создать такие условия, когда ядра изотопов будут обладать этой скоростью, а это возможно только при очень высоких температурах. Только так мы сможем разогнать изотопы до скоростей, которые позволят им сблизиться на расстояние приблизительно 10 -14 м.

Рис. 1. Расстояние, на которое нужно сблизить ядра для наступления термоядерной реакции

Это расстояние как раз то, с которого начинают действовать ядерные силы. Значение необходимой температуры составляет порядка t ° = 10 7 - 10 8 ° C . Достигнуть такой температуры можно, когда произведен ядерный взрыв. Таким образом, чтобы произвести термоядерную реакцию, мы сначала должны произвести реакцию деления тяжелых ядер. Именно в этом случае мы добьемся высокой температуры, а уже потом данная температура даст возможность сблизить ядра изотопов до расстояния, когда они могут соединиться. Как вы понимаете, именно в этом заложен принцип так называемой водородной бомбы.

Рис. 2. Взрыв водородной бомбы

Нас, как мирных людей, интересует в первую очередь использование термоядерной реакции в мирных целях для создания тех же самых электростанций, но уже новейшего типа.

В настоящее время ведутся разработки по тому, как создать управляемый термоядерный синтез. Для этого используются различные методы, один из них: использование лазеров для получения высоких энергий и температур. С помощью лазеров их разгоняют до высоких скоростей, и в этом случае может протекать термоядерная реакция.

В результате термоядерной реакции выделяется огромное количество тепла, то место в реакторе, в котором будут находиться взаимодействующие друг с другом изотопы, нужно хорошо изолировать, чтобы вещество, которое будет находиться при высокой температуре, не взаимодействовало с окружающей средой, со стенками того объекта, где оно находится. Для такой изоляции используется магнитное поле. При высокой температуре ядра, электроны, которые находятся вместе, представляют собой новый вид материи - плазму. Плазма - это частично или полностью ионизированный газ, а раз газ ионизирован, то он чувствителен к магнитному полю. Плазма - электропроводящая, при помощи магнитных полей можно придавать ей определенную форму и удерживать в определенном объеме. Тем не менее, техническое решение управления термоядерной реакцией остается пока неразрешенным.

Рис. 3. ТОКАМАК - тороидальная установка для магнитного удержания плазмы

В заключение хотелось бы еще отметить: термоядерные реакции играют важную роль в эволюции нашей вселенной. В первую очередь отметим, что термоядерные реакции протекают на Солнце. Можно сказать, что именно энергия термоядерных реакций - это та энергия, которая сформировала нынешний облик нашей вселенной.

Список дополнительной литературы

1. Бронштейн М.П. Атомы и электроны. «Библиотечка “Квант”». Вып. 1. М.: Наука, 1980

2. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник для 9 класса средней школы. М.: Просвещение

3. Китайгородский А.И. Физика для всех. Книга 4. Фотоны и ядра. М.: Наука

4. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика. Оптика. Квантовая физика. 11 класс: учебник для углублённого изучения физики. М.: Дрофа

Задание к уроку .

1. В результате термоядерной реакции соединения двух протонов образуется дейтрон и нейтрино. Какая ещё появляется частица?

2. Найти частоту γ -излучения, образующегося при термоядерной реакции:

Если α -частица приобретает энергию 19.7 МэВ

Термоядерная реакция относится к разряду ядерных, но, в отличие от последних, в ней происходит процесс образования, а не разрушения.
На сегодняшний день разработала два варианта проведения термоядерного синтеза – взрывной термоядерный синтез и управляемый термоядерный синтез.

Кулоновский барьер или почему люди еще не взлетели на воздух

Атомные ядра несут положительный заряд. Это означает, что при их сближении начинает действовать сила отталкивания, которая обратно пропорциональна квадрату расстояния между ядрами. Однако на определенном расстоянии, которое равно 0,000 000 000 001 см, начинает действовать сильное взаимодействие, приводящие к слиянию атомных ядер.

В результате выделяется колоссальное количество энергии. То расстояние, которое препятствует слиянию ядер, называется кулоновским барьером, или потенциальным барьером. Условие, при котором это происходит - высокая температура, порядка 1 миллиарда градусов Цельсия. При этом любое вещество превращается в плазму. Основным веществами для осуществления термоядерной реакции являются и тритий.

Взрывной термоядерный синтез

Такой способ проведения термоядерной реакции возник намного раньше управляемого и впервые был применен в водородной бомбе. Основным взрывающимся веществом является дейтерид лития.

Бомба состоит из триггера – плутониевого заряда с усилителем и контейнера с термоядерным горючим. Сначала взрывается триггер с испусканием импульса мягкого рентгеновского излучения. Оболочка второй ступени вместе с пластиковым наполнителем поглощают эти излучения, нагреваясь до высокотемпературной плазмы, которая находится под высоким давлением.

Создается реактивная тяга, которая сдавливает объем второй ступени, уменьшая межъядерной расстояние в тысячи раз. При этом термоядерная реакция не происходит. Завершающим этапом является ядерный взрыв плутониевого стержня, который и запускает ядерную реакцию. Дейтерид лития с нейтронами с образованием трития.

Управляемый термоядерный синтез

Управляемый термоядерный синтез возможен потому, что применяются особые типы реакторов. Топливом служит дейтерий, тритий, гелия, литий, бор-11.

Реакторы:
1) Реактор, основанный на создании квазистационарной системы, в которой плазма удерживается магнитным полем.
2) Реактор на основе импульсной системы. В этих реакторах небольшие мишени, содержащие дейтерий и тритий, кратковременно нагревают сверхмощным потоком частиц или лазером.

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
1	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