Термоя?дерная реа?кция
? разновидность
ядерной реакции
, при которой лёгкие
атомные ядра
объединяются в более тяжёлые за счёт
кинетической энергии
их
теплового движения
.
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 большу?ю
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≫.
Атомные ядра имеют положительный
электрический заряд
. На больших расстояниях их заряды могут быть экранированы электронами
электронных оболочек
атомов. Для того, чтобы произошло слияние ядер, во-первых, процесс слияния должен быть энергетически выгоден и, во-вторых, ? они должны сблизиться на расстояние, на котором существенно действие
сильного взаимодействия между нуклонами
. Это расстояние ? порядка размера самих ядер и во много раз меньше размера
атомов
.
На таких расстояниях электронные оболочки атомов (даже если бы они сохранились) уже не могут экранировать заряды ядер, поэтому ядра испытывают сильное электростатическое отталкивание. Сила этого отталкивания, в соответствии с
законом Кулона
, обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами. На расстояниях порядка размера ядер сила притяжения сильного взаимодействия, которое стремится их связать, быстро возрастает и становится больше силы кулоновского отталкивания.
Таким образом, чтобы вступить в реакцию, ядра должны преодолеть
потенциальный барьер
кулоновского отталкивания. Например, для реакции
дейтерий
-
тритий
величина этого барьера до начала действия сильного взаимодействия составляет примерно 0,1
МэВ
. Для сравнения, энергия ионизации атома водорода ? 13 эВ. Поэтому вещество, способное вступать в термоядерной реакции будет представлять собой практически полностью ионизированную
плазму
.
Температура, эквивалентная 0,1 МэВ, приблизительно равна 10
9
К
, и технически трудно достижима. Однако есть два эффекта, которые снижают температуру, необходимую для термоядерной реакции:
- Во-первых, температура характеризует лишь среднюю кинетическую энергию частиц плазмы, в плазме 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 энергии, характеризуемой температурой (так называемый ≪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 некоторой вероятностью
туннелировать
сквозь него, причём чем ближе эта энергия к величине кулоновского барьера, тем выше вероятность ядерной реакции
[1]
.
Мощность термоядерного синтеза на единицу объёма описывается выражением:
- где
? мощность термоядерного синтеза на единицу объёма,
- ? объёмные концентрации реагирующих частиц A и B,
- ? активность, произведение сечения реакции на усреднённую скорость частиц в распределении Максвелла.
Произведение
зависит от температуры и имеет максимум при некоторой температуре, так как при малых температурах энергия частиц недостаточна для преодоления энергетического барьера, а при слишком высоких температурах кинетическая энергия столкновения частиц начинает превышать энергию связи продуктов слияния ядер и вероятность слияния падает. Зависимость активности трёх важнейших термоядерных реакций от температуры приведена на рисунке.
Некоторые важнейшие экзотермические термоядерные реакции с большими сечениями
[2]
:
(1)
|
D
|
+
|
T
|
→
|
|
4
He
|
(3,5 MeV)
|
+
|
|
n
|
(14,1 MeV)
|
|
(2)
|
D
|
+
|
D
|
→
|
|
T
|
(1,01 MeV)
|
+
|
|
p
|
(3,02 MeV)
|
|
|
|
|
(50 %)
|
(3)
|
|
|
|
→
|
|
3
He
|
(0,82 MeV)
|
+
|
|
n
|
(2,45 MeV)
|
|
|
|
|
(50 %)
|
(4)
|
D
|
+
|
3
He
|
→
|
|
4
He
|
(3,6 MeV)
|
+
|
|
p
|
(14,7 MeV)
|
(5)
|
T
|
+
|
T
|
→
|
|
4
He
|
|
+
|
2
|
n
|
+ 11,3 MeV
|
(6)
|
3
He
|
+
|
3
He
|
→
|
|
4
He
|
|
+
|
2
|
p
|
|
+
|
γ
|
(+12,85 MeV)
|
(7)
|
3
He
|
+
|
T
|
→
|
|
4
He
|
|
+
|
|
p
|
|
+
|
n
|
+ 12,1 MeV
|
|
(51 %)
|
(8)
|
|
|
|
→
|
|
4
He
|
(4,8 MeV)
|
+
|
|
D
|
(9,5 MeV)
|
|
|
|
|
(43 %)
|
(9)
|
|
|
|
→
|
|
4
He
|
(0,5 MeV)
|
+
|
|
n
|
(1,9 MeV)
|
+
|
p
|
(11,9 MeV)
|
|
(6 %)
|
(10)
|
D
|
+
|
6
Li
|
→
|
2
|
4
He
[3]
|
+ 22,4 MeV -
|
(11)
|
p
|
+
|
6
Li
|
→
|
|
4
He
|
(1,7 MeV)
|
+
|
|
3
He
|
(2,3 MeV)
|
(12)
|
3
He
|
+
|
6
Li
|
→
|
2
|
4
He
|
|
+
|
|
p
|
+ 16,9 MeV
|
(13)
|
p
|
+
|
11
B
|
→
|
3
|
4
He
|
+ 8,7 MeV
|
(14)
|
n
|
+
|
6
Li
|
→
|
|
4
He
|
|
+
|
|
T
|
+ 4,8 MeV
|
Термоядерная реакция может быть существенно облегчена при введении в реакционную плазму отрицательно заряженных
мюонов
.
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, то есть один мюон способен высвободить
энергию
~ 100 × Х МэВ, где Х ? энергетический 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
. Мюоны в свою очередь нестабильны и быстро распадаются, поэтому добавлять их необходимо постоянно.
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.