Реакция синтеза атомных ядер. Проблема управляемых термоядерных реакций

Как уже отмечалось в § 2 настоящей лекции, при реакции ядерного синтеза (слияния) легких атомных ядер выделяется очень большое количество энергии.

Но для того, чтобы произошло слияние атомных ядер, их необходимо сблизить на расстояние порядка 10^-13 м, после чего процесс слияния происходит с заметной вероятностью. Отметим, что расстояние 10^-13 м все еще значительно больше расстояния, на котором начинают действовать ядерные силы притяжения.

На рис. 17.4 изображен примерный график зависимости потенциальной энергии взаимодействия двух ядер. На этом рисунке W - относительная кинетическая энергия ядер. Как видно из рисунка, она меньше потенциального барьера, который возникает за счет кулоновского отталкивания двух ядер. Пройти "под барьером" и попасть в глубокую потенциальную яму, возникающую за счет действия ядерных сил притяжения, налетающее ядро может из-за корпускулярно-волнового дуализма микрочастиц (см. лекцию 6).

Рис. 17.4

Волновая функция Ψ налетающего ядра в области потенциального барьера хотя и убывает, но если барьер не очень велик, значение волновой функции за барьером будет заметно отлично от нуля. Как известно, |Ψ(r)|²dV = dV - вероятности обнаружить микрочастицу в объеме dV. Значит, будет отлична от нуля вероятность обнаружить частицу за потенциальным барьером, в области ямы. Этот эффект называется "тунелированием". Именно наличие тунелирования дает вероятность ядрам начать слияние, начиная с расстояний 10^-13 м. "Классическая" частица для попадания в яму должна была бы иметь энергию не меньше высоты потенциального барьера и подходить к своей "партнерше" на расстояние ~ 10^-5 м, где начинают действовать ядерные силы.

Определим W - энергию ядер, необходимую для сближения на расстояние 10^-13 м. Как известно из электростатики (см. Часть 2, (3.3)), потенциальная энергия взаимодействия двух точечных зарядов дается формулой:

Для двух ядер дейтерия, например, q₁=q₂=e=1,6·10^-19 Кл. При r=10^-13 м имеем:

Сообщить ядрам такую энергию можно разогрев вещество до очень высокой температуры. Температуру оценим, приравнивая эту энергию средней энергии теплового движения, равную (3/2)kT, где k=1,38·10^-23 Дж/К:

откуда

В земных условиях реакции синтеза легких ядер впервые были реализованы в виде термоядерного взрыва (в так называемой водородной бомбе). Высокая температура, необходимая для протекания реакции синтеза в водородной бомбе, создается за счет взрыва ядерной бомбы, служащей в водородной бомбе детонатором, "поджигателем" термоядерного взрыва. В водородной бомбе используются реакции синтеза:

В реакциях (17.2) и (17.3) образуется дорогостоящий тритий , который и вступает в реакцию с дейтерием (17.1). Образующиеся в реакциях (17.1) нейтроны имеют энергию 14 МэВ, поэтому могут вызывать деление ядер , который составляет более 99% природного урана. Для усиления энергии взрыва, бомбу окружают оболочкой из природного урана. Энергия взрыва термоядерных бомб на 2-3 порядка выше, чем ядерных и составляет от 100000 до 1000000 тонн тротила.

Управляемый термоядерный синтез, проходящий в регулируемых условиях, пока еще не реализован.

Наиболее перспективной реакцией для управляемого термоядерного синтеза является реакция (17.1), так как она протекает с наибольшей скоростью.

При температурах Т~10⁸ К, необходимых для протекания реакции синтеза, вещество ионизируется: ядра и электроны уже не связаны друг с другом: вещество переходит в состояние полностью ионизированной плазмы. Основная проблема состоит в том, как удержать горячую плазму в зоне реакции. Одним из основных направлений решения этой проблемы является создание установок, в которых плазма удерживается с помощью магнитного поля. Эту идею в 1950 году высказали советские ученые И.Е. Тамм и А.Д. Сахаров. Она реализуется различными способами, но наибольшие усилия были затрачены на создание устройств, которые получили название "ТОКОМАК". Это название является сокращением от полного названия: "тороидальная камера с магнитными катушками". В настоящее время работы на токомаках переходят из фазы чисто физических исследований в фазу создания экспериментального термоядерного реактора. Существует международный проект, который предполагается осуществить и который должен служить экспериментальной моделью будущей электростанции с реакцией синтеза на основе токомака.

В заключении отметим, что системы с магнитным удержанием плазмы - не единственный путь к реализации управляемой реакции синтеза. С 1964 года начались исследования в области управляемого термоядерного синтеза с применением лазерного нагрева. При этом термоядерное горючее имеет вид небольших крупинок, диаметром несколько миллиметров, состоящих из дейтерий-тритиевого льда. Лазерное излучение фокусируется на этой мишени и разогревает ее до термоядерных температур. Работа подобного реактора может осуществляться только в импульсном режиме. Пока эти исследования далеки до завершения.

Исключительная важность для всего человечества решения проблемы управляемой термоядерной реакции состоит в том, что запасы традиционных источников энергии (нефть, газ, уголь) стремительно истощаются и управляемые термоядерные реакции должны стать основой энергетики будущего.

Итоги лекции N 17

1. При попадании нейтрона ядро урана делится на да примерно равных по массе осколка. При этом в среднем испускается 2,5 нейтрона.

2. Природный уран содержит два изотопа: (99,29%) и (0,71%).

3. Ядро урана делится под действием только быстрых нейтронов с энергией больше 1 ГэВ.

4. Ядро делится под действием нейтронов любых энергий, особенно эффективно деление идет под действием медленных, тепловых нейтронов.

5. Цепная реакция деления урана возможна либо в чистом взрывным способом, либо в ядерном реакторе, где ядерным топливом служит или природный уран, или слегка обогащенный изотопом .

6. Для реализации реакции синтеза легких атомных ядер их необходимо сблизить на расстояние ~10^-13 м.

Сообщить ядрам энергию, достаточную для такого сближения, можно, разогрев вещество до температур ~ 10⁸ К.

7. В земных условиях реакции синтеза легких ядер первые были реализованы в виде термоядерного взрыва. При этом высокая температура, необходимая для синтеза ядер дейтерия и трития создается за счет взрыва ядерной бомбы.

8. Управляемый термоядерный синтез пока еще не реализован. Одним из основных направлений решения проблемы управляемого термоядерного синтеза является создание установок, где полностью ионизированное вещество - плазма - удерживается при Т~10⁸ К с помощью магнитного поля.

9. Исключительная важность для всего человечества решения проблемы управляемого термоядерного синтеза объясняется быстрым истощением традиционных источников энергии (нефть, газ, уголь).

 

ЛЕКЦИЯ N 18