Главная > Физика > Курс физики (Грабовский Р.И.)
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

§ 144. Реакция синтеза (термоядерная реакция). Энергия звезд

Синтез двух (или нескольких) легких ядер в одно ядро сопровождается, как мы уже знаем (см. § 142), выделением ядерной энергии. Например, при реакции синтеза ядер дейтерия и трития в ядро гелия выделяется энергия

Простой расчет показывает, что если такой реакции подвергнутся все ядра, содержащиеся в смеси дейтерия с тритием, то выделится колоссальное количество ядерной энергии

молярная масса смеси, состоящей из равного числа дейтронов и тритонов). Эта энергия в 8 с лишним раз больше энергии, выделяющейся при реакции деления урана-235.

Очевидно, что для объединения двух ядер в одно они должны, преодолевая кулоновскую салу взаимного отталкивания, сблизиться на расстояние порядка см; тогда дальнейшее их сближение (и объединение) совершат уже ядерные силы. Следовательно, объединяемые ядра должны обладать достаточно большой кинетической энергией для совершения работы против кулоновских сил отталкивания; это является необходимым условием осуществления реакции синтеза.

Как показывают расчеты, для осуществления реакции синтеза дейтерия и трития в гелий дейтроны и тритоны должны обладать кинетической энергией порядка Следовательно, в принципе синтез гелия можно осуществлять путем обстрела тритонов дейтронами, ускоренными до энергии Однако практически этот способ оказывается совершенно неэкономичным. Дело в том, что ввиду

малости размера реагирующих частиц (дейтронов и тритонов) вероятность их столкновения крайне мала: лишь очень немногие дейтроны будут сталкиваться с тритонами. В результате энергия, затраченная на ускорение дейтронов, окажется больше энергии, выделившейся при реакции синтеза.

Реакция синтеза станет эффективной (экономически выгодной) только в том случае, если в смеси дейтерия с тритием все ядра (или по крайней мере значительная часть их) будут обладать энергией порядка Этого можно достигнуть путем нагревания смеси до такой температуры, при которой средняя кинетическая энергия теплового движения атомов смеси приблизится к Нетрудно показать, что такая температура измеряется десятками миллионов Кельвинов. Действительно, средняя кинетическая энергия № теплового движения частицы выражается соотношением

где постоянная Больцмана, абсолютная температура (см. § 42). Тогда

Итак, реакция синтеза может идти только при температуре в десятки миллионов Кельвинов, в связи с чем она получила название термоядерной реакции. При этой температуре «термоядерное горючее» является плазмой, т. е. газом, состоящим из электронов и «оголенных» ядер (лишенных электронной оболочки).

В земных условиях столь высокие температуры создаются только во взрывающейся атомной бомбе. Поэтому пока что освоена только термоядерная реакция взрывного типа, реализуемая в водородной бомбе.

Водородная бомба представляет собой массивный герметизированный сосуд, наполненный жидкой смесью дейтерия с тритием. В верхней внутренней части сосуда помещается небольшая атомная бомба, при взрыве которой смесь дейтерия с тритием мгновенно нагревается до температуры в десятки миллионов Кельвинов. Благодаря этому происходит бурная термоядерная реакция, заканчивающаяся взрывом водородной бомбы.

Сила взрыва водородной бомбы в десятки раз превосходит силу взрыва атомной бомбы.

Осуществление управляемой термоядерной реакции встречается с большими трудностями. Чтобы создать термоядерный реактор, необходимо обеспечить регулируемое нагревание плазмы до десятков миллионов Кельвинов. Кроме того, что особенно сложно, необходимо полностью устранить соприкосновение плазмы со стенками какого бы то ни было вещественного сосуда.

В настоящее время в СССР и других странах ведутся теоретические и экспериментальные исследования по созданию условий для управления термоядерной реакцией. Возможно, что плазма будет

создаваться с помощью искрового разряда (см. § 93) и удерживаться в определенной области пространства посредством тороидального магнитного поля (см. § 101).

Осуществление управляемой термоядерной реакции полностью разрешит энергетическую проблему, поскольку сырье (вода) для получения дейтерия имеется на Земле в практически неограниченном количестве.

Термоядерные реакции являются, по-видимому, единственным источником энергии, излучаемой Солнцем и звездами. Эти космические тела более чем на 50% состоят из водорода, а температура в их центральной части имеет порядок десятков миллионов Кельвинов.

Таким образом, на Солнце и звездах имеются все необходимые условия для развития термоядерных реакций.

Одна из таких реакций, называемая протонно-протонным циклом (р—р-циклом) состоит из нескольких последовательных ядерных превращений, в результате которых четыре протона объединяются в ядро гелия; при этом испускаются у-фотон, два нейтрино и два позитрона. Результат -цикла можно записать так:

Энергия, выделяющаяся в каждом -цикле, составляет около что соответствует 628 млрд. на водорода

Расчеты показывают, что запас водорода на Солнце обеспечит осуществление термоядерных реакций в течение многих миллиардов лет.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление