Interested Article - Термоядерная реакция
![](/images/009/000/9000799/1.jpg?rand=354502)
![](https://cdn.wafarin.com/avatars/cec9818936add98229817fb432540b18.gif)
- 2020-06-28
- 1
![](/images/009/000/9000799/1.jpg?rand=383685)
![](/images/009/000/9000799/2.jpg?rand=373446)
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
![](/images/009/000/9000799/3.jpg?rand=565543)
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:
- 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.
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.
![](/images/009/000/9000799/9.jpg?rand=662811)
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
- Serway. College Physics / Serway, Vuille. — Eighth. — Belmont : Brooks/Cole, 2008. — Vol. 2. — ISBN 978-0-495-55475-2 .
- . Дата обращения: 21 августа 2015. 28 марта 2015 года.
- Это суммарная запись топливного цикла DT реакции с воспроизводством T через Li
![](https://cdn.wafarin.com/avatars/cec9818936add98229817fb432540b18.gif)
- 2020-06-28
- 1