Ядерные процессы
Радиоактивный распад
Альфа-распад Бета-распад Кластерный распад Двойной бета-распад Электронный захват Двойной электронный захват Гамма-излучение Внутренняя конверсия Изомерный переход Нейтронный распад Позитронный распад Протонный распад Спонтанное деление
Нуклеосинтез
Протон-протонный цикл CNO-цикл Ядерное горение дейтерия Ядерное горение лития Тройная гелиевая реакция Гелиевая вспышка Ядерное горение углерода Углеродная детонация Ядерное горение неона Ядерное горение кислорода Ядерное горение кремния Нейтронный захват r-процесс s-процесс Захват протонов: p-процесс rp-процесс Нейтронизация Реакции скалывания Взрывной нуклеосинтез

Термоя́дерная реа́кция — разновидность ядерной реакции , при которой лёгкие атомные ядра объединяются в более тяжёлые за счёт кинетической энергии их теплового движения .

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 большу́ю 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

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, причем чем ближе эта энергия к величине кулоновского барьера, тем выше вероятность ядерной реакции .

Мощность термоядерного синтеза на единицу объёма описывается выражением:

${\displaystyle P_{f}=n_{A}n_{B}\langle \sigma \nu _{A,B}\rangle E_{f},}$

где ${\displaystyle P_{f}}$ — мощность термоядерного синтеза на единицу объёма,

${\displaystyle n_{A},\ n_{B}}$ — объёмные концентрации реагирующих частиц A и B,

${\displaystyle \langle \sigma \nu _{A,B}\rangle }$ — активность, произведение сечения реакции на усреднённую скорость частиц в распределении Максвелла.

Произведение ${\displaystyle \langle \sigma v_{A,B}\rangle }$ 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.

Термоядерные реакции

Некоторые важнейшие экзотермические термоядерные реакции с большими сечениями :

(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

+ 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

Мюонный катализ

Термоядерная реакция может быть существенно облегчена при введении в реакционную плазму отрицательно заряженных мюонов .

Мюоны µ ⁻ , вступая во взаимодействие с термоядерным топливом, образуют , 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 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 .

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

• Нуклеосинтез
• Ядерная реакция

Примечания