Политех в Сети

Сайт для Учебы

Термоядерные реакции

Рейтинг пользователей: / 1
ХудшийЛучший 

Ядерные реакции между легкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких температурах (…107¸108 К), называются термоядерными реакциями. В этих реакциях ядрам, испытывающим взаимное кулоновское отталкивание, удается, преодолев соответствующий электростатический барьер (рис. 1), сблизиться на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил притяжения и, провалившись в образуемую ими глубокую потенциальную яму, совершить ту или иную экзоэнергетическую (т. е. сопровождающуюся выделением энергии) ядерную перестройку. Под «выделением энергии» подразумевается выделение в продуктах реакции избыточной кинетической энергии, равной увеличению суммарной энергии связи. Таким образом, относительно рыхлые ядра перестраиваются в более прочно связанные, а поскольку ядра с наибольшей энергией связи на один нуклон находятся в средней части периодической системы Менделеева, то наиболее типичным механизмом экзоэнергетической реакции является слияние (синтез) легчайших ядер в более тяжелые. Хотя существуют и экзоэнергетические реакции деления легких ядер. Благодаря особой прочности ядра 4He возможна, например, реакция

.

Описанные выше процессы называются реакциями ядерного синтеза (ЯС).

По механизму преодоления кулоновского барьера реакции ЯС можно разделить на два основных класса: А – реакции при неискаженном барьере, требующие для своего протекания достаточно большой относительной энергии сталкивающихся ядер, которая сообщается им в результате ускорения или сильного разогрева; Б – реакции так называемого холодного синтеза, которые становятся возможными в результате сильного искажения самого барьера – прежде всего, его сужения, благодаря «срезанию» внешней, наиболее широкой части.

Реакции класса А могут реализоваться либо в некотором ускорителе, либо в высокотемпературной плазме звездных недр, ядерного взрыва, мощного газового разряда или в плазме вещества, разогретого гигантским импульсом лазерного излучения, бомбардировкой интенсивным пучком частиц и т. п.

Реакции типа Б являются следствием таких явлений как:

1) смятие кулоновского барьера колоссальным давлением в недрах плотных звезд () – случай так называемых пикноядерных реакций;

2) прямое кулоновское экранирование поля дейтрона или протона захваченным на боровскую орбиту отрицательным мюоном – случай так называемого мюонного катализа.

Непреходящий интерес к реакциям ЯС, и прежде всего к термоядерным реакциям, связан с тем, что они являются:

– главным источником Солнца и звезд, а также механизмом дозвездных и звездных процессов синтеза атомных ядер химических элементов;

– одной из физических основ ядерного взрыва и (термо-)ядерного оружия;

– основой управляемого термоядерного синтеза (УТС) – экономически и экологически перспективного направления энергетики будущего.

В таблице 1 приведен ряд реакций, представляющих интерес для УТС.

Таблица 1

Экзоэнергетические реакции между легкими ядрами

№ п/п

Реакция

Энерговыделение,

МэВ

, бари

(в обл. энерг.

£ 1МэВ)

Энергия налетающих частиц,

Соотв. , МэВ

1

2,2

10-23

2

5,5

10-6

3

19,7

10-6

4

4,0

0,16 при 2 МэВ

2

5

3,3

0,09

1

6

24,0

7

17,6

5,0

0,13

8

17,6

5,0

0,195

9

11,3

0,10

1,0

10

18,4

0,71

0,47

11

12,8

12

4,8

2,6

0,26

13

4,0

10-4

0,3

14

17,3

6∙10-3

0,44

15

5,0

0,01

1,0

16

22,4

0,026

0,60

17

15,0

10-3

0,2

18

0,56

0,46

0,33

19

2,1

0,35

0,33

20

8,7

0,6

0,675

21

5,0

0,69 при 1,2 Мэв

1,2

P – Протон, D – дейтрон (ядро дейтерия 2H), T – тритон (ядро трития 3H), N – нейтрон, E+ - позитрон, ν – ниттрино, γ – фотон. Распределение энергии между продуктами реакции обычно обратно пропорционально их массам.

При анализе результатов надо иметь в виду, что сечение σ любой из реакций есть, грубо говоря, произведение сечения прохождения сквозь кулоновский барьер и вероятности последующего ядерного превращения. Первый, «кулоновский», сомножитель по своей природе универсален для всех термоядерных реакций. Высота барьера

,

Где и – заряды ядер, а R – сумма их «радиусов». Даже для комбинаций ядер с наименьшими , например , составляет 200 кэВ. Средняя же энергия частиц для плазмы звездных недр или современных направлений УТС, где наиболее типичны температуры (107¸108) К, составляет около (1¸10) кэВ. Следовательно, преодоление потенциального барьера носит, как правило, характер туннельного, притом глубоко подбарьерного, прохождения. Вероятность туннельного прохождения, когда относительная энергия E сталкивающихся ядер намного меньше высоты барьера (), может быть описана предельной формой известной экспоненты, а именно:

,

Где – относительная скорость ядер,

– их приведенная масса.

Второй, «ядерный», сомножитель, определяющий основной порядок сечения термоядерной реакции, специфичен для каждой конкретной реакции. Так, для реакций с образованием наиболее сильно связанного ядра 4He он велик и обычно резонансно зависит от энергии. Это относится, например, к важнейшим для УТС реакциям 7 и 10 и к одной из гипотетически перспективных «чистых», т. е. без нейтронных реакций – реакции 20. Для реакций, обусловленных слабым взаимодействием, он чрезвычайно мал. Так, например, фундаментальная для энерговыделения Солнца реакция 1 непосредственно (в лаборатории) вообще не наблюдалась.

Интенсивность термоядерной реакции зависит от плотности плазмы и от температуры. Зависимость от плотности определяется тем, что реакции происходят в результате парных столкновений между ядрами. Число реакций в единице объема в единицу времени равно , где N1, N2 – концентрации ядер сортов 1 и 2; угловыми скобками обозначено усреднение по распределению относительных скоростей , в дальнейшем принимаемому максвелловским. В области «не очень высоких» температур T ≤ (107÷108)К и в отсутствие резонанса может быть приближенно выражено в форме, универсальной для всех нерезонансных реакций:

,

Где – постоянная, характерная для данной реакции. Эта формула справедлива лишь при больших (1) значениях показателя экспоненты. Полученная температурная зависимость сама по себе достаточно сильная, но все же не столь резка, как например, типичная температурная зависимость скорости химических реакций.

Термоядерные реакции во Вселенной

Термоядерные реакции во Вселенной играют двоякую роль:

— как основной источник энергии звезд;

— как один из основных механизмов нуклеосинтеза.

Для нормальных гомогенных звезд, в том числе Солнца, главным процессом экзоэнергетического ЯС является сгорание H в He, точнее, превращение 4 протонов в ядро 4He, 2 позитрона и 2 нейтрино. Этот результат можно получить двумя путями:

1) в протон-протонной (РР) цепочке, или Водородном цикле;

2) в Углеродно-азотном цикле (CN).

Для звезд-гигантов с плотными, выгоревшими (по содержанию H) ядрами существенны гелиевый и неоновый циклы термоядерных реакций. Они протекают при значительно более высоких температурах и плотностях, чем PP–CN-циклы. Основной реакцией гелиевого цикла, идущей начиная с 200 млн. К, является т. н. процесс Солпитера (-реакция):

(процесс двухступенчатый, идущий через промежуточное ядро 8Be).

Далее могут следовать реакции: , ; в этом состоит один из механизмов нуклеосинтеза – Создание химических элементов.

Сама возможность процесса Солпитера, а тем самым и нуклеосинтеза большинства элементов (предпосылка возникновения всех форм жизни!), связана с таким случайным (?) обстоятельством, как большая «острота» резонанса в зависимости для ядерной реакции , обеспечиваемая, в свою очередь, наличием подходящего дискретного уровня у ядра 8Be.

Если продукты реакции гелиевого цикла вступят в контакт с Н, то осуществляется неоновый (Ne – Na) цикл, в котором ядро 20Ne играет роль катализатора для процесса сгорания Н в Не. Последовательность реакций здесь вполне аналогична CN-циклу, только ядра 12C, 13N, 13C, 14N, 15O, 15N заменяются соответствующими ядрами 20Ne, 21Na, 21Ne, 22Na, 23Mg, 23Na. Мощность этого цикла как источника энергии невелика. Но он, по-видимому, имеет большое значение для нуклеосинтеза, т. к. одно из промежуточных ядер цикла (21Ne) может служить источником нейтронов: (аналогичную роль может играть и ядро 13C, участвующее в CN-цикле). Последующий «цепной» захват нейтронов, чередующийся с процессами -распада, является механизмом синтеза все более тяжелых ядер.

Средняя интенсивность энерговыделения Е в типичных звездных термоядерных реакциях по земным масштабам ничтожна: так для Солнца (в среднем на 1 г солнечной массы) Е=2 эрг/с. г. Это гораздо меньше, например, скорости энерговыделения в живом организме в процессе обмена веществ, а обычная электрическая лампочка по мощности эквивалентна многим тоннам солнечного вещества. Однако вследствие огромной массы Солнца (2∙1033 г) полная излучаемая им мощность (4∙1026 Вт) столь велика (она соответствует ежесекундному уменьшению массы Солнца ~ на 4 млн. тонн), что даже ничтожной ее доли достаточно, чтобы оказывать решающее влияние на энергетический баланс земной поверхности, жизни и т. д.

Благодаря колоссальным размерам Солнца и звезд, в них идеально решается проблема удержания (в данном случае гравитационного) и термоизоляции плазмы: реакции протекают в горячем ядре звезды, а теплоотдача происходит с удаленной от ядра и гораздо более холодной поверхности. Только поэтому звезды могут эффективно генерировать энергию в таких медленных процессах, как РР - и CN - циклы. В земных условиях эти процессы практически неосуществимы.

На Земле имеет смысл использовать лишь наиболее эффективные термоядерные реакции, прежде всего связанные с участием дейтерия, трития и гелия – 3. Подобные реакции в крупных масштабах осуществлены пока только в испытательных взрывах термоядерных, или водородных бомб. Схема реакции в термоядерной бомбе включает реакции 12, 7, 4 и 5 приведенной таблицы, но, в принципе, возможны и другие реакции, например – 16, 14, 3.

Использованием термоядерных реакций в мирных целях может явиться УТС, с которым связывают надежды на решение энергетических проблем человечества, поскольку дейтерий, содержащийся в воде океанов, представляет собой практически неисчерпаемый источник дешевого горючего для УТ реакций. Для УТС наиболее важны термоядерные реакции 7, 5 и 4 (а также реакция 12 для регенерации дорогостоящего трития). По экологическим соображениям все большее внимание привлекают к себе и «чистые» (т. н. малорадиоактивные) реакции, не дающие нейтронов, например реакции 20 и особенно 10 (табл. 1).

Устройство для проведения термоядерных реакций – Термоядерный реактор – находится в стадии разработки. Основное требование, которому должен удовлетворять реактор, заключается в том, чтобы энерговыделение в результате термоядерных реакций с избытком компенсировало затраты энергии от внешних источников на поддержание реакции.

Различают два типа ТР. К первому относятся реакторы, которым энергия от внешних источников необходима только для зажигания ТР. Далее реакция поддерживается за счет энергии, выделяющейся в плазме при ТР. Например, в дейтерий-тритиевой смеси на поддержание высокой температуры (Т…8 кэВ или …108 К) расходуется энергия -частиц (3,52 МэВ), образующихся в ходе реакций при их кулоновском торможении в плазме. В смеси дейтерия с 3Не энергия всех продуктов реакций, которая в среднем на каждую реакцию составляет ~2,42 МэВ, т. е. -частиц и протонов, расходуется на поддержание необходимой температуры плазмы. В стационарном режиме работы Т. Р. энергия, которую несут заряженные продукты реакций, компенсирует энергетические потери из плазмы, обусловленные в основном теплопроводностью плазмы и излучением. Такие реакторы называются реакторами с зажиганием самоподдерживающейся термоядерной реакции. Пример такого Т. Р.: токамак, стелларатор.

Для равнокомпонентной ДТ-плазмы с максвелловским распределением частиц по скоростям критерий зажигания самоподдерживающейся термоядерной реакции можно записать в виде:

,

Где *– плотность электронов (в см-3), – температура плазмы (в кэВ), – время удержания энергии в плазме без учета потерь на тормозное излучение (в секундах); – усредненная по максвелловскому распределению скорость термоядерной реакции ( в см3с-1). Второй член в знаменателе характеризует потери энергии ДТ-плазмы на тормозное излучение.

Величина называется Параметром удержания энергии в плазме и принимает минимальное значение 1,6∙1014 см-3∙с при 25 кэВ.

К другому типу реакторов относятся те, в которых для поддержания горения реакций недостаточно энергии, выделяющейся в плазме в виде заряженных продуктов реакции, а необходима энергия от внешних источников. Такие реакторы принято называть реакторами с поддержанием горения термоядерных реакций. Это происходит в тех реакторах, где велики энергетические потери, например открытая магнитная ловушка. Эти два вида реакторов включают все возможные ТР, которые могут быть построены на основе систем с Магнитным удержанием плазмы или систем с Инерциальным удержанием плазмы.

Реактор с последней системой характеризуется тем, что в него за короткое время (10-8–10-7) с помощью либо излучения лазера, либо пучков релятивистских электронов или ионов вводится энергия, достаточная для возникновения и поддержания ТР. Такой Р будет работать только в режиме коротких импульсов, в отличие от Р с магнитным удержанием плазмы, который может работать в квазистационарном режиме или даже стационарном режиме.

Разработка ТР с магнитным удержанием плазмы более продвинута. Проект международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР) разрабатывается с 1988 года четырьмя сторонами (Россия, США, странами Евратома и Японией). Т. Р. имеет следующие параметры:

— большой радиус плазмы 8,1 м;

— малый радиус плазмы в ср. плоскости 3 м;

— тороидальное магнитное поле на оси 5,7 Тл;

— номинальный ток плазмы 21МА;

— номинальная термоядерная мощность с ДТ топливом 1500 МВт.

В качестве первого шага на пути создания термоядерной энергетики представляется ТР, работающий на ДТ смеси за счет большей скорости протекания реакций, чем при других реакциях синтеза. В перспективе рассматривается возможность создания малорадиоактивного ТР на смеси Д с 3Не, в котором основную энергию несут заряженные продукты реакции, а нейтроны возникают лишь в ДД и ДТ реакциях при выгорании рождающегося в ДД реакциях трития. В результате биологическая опасность ТР может быть, по-видимому, снижена на четыре-пять порядков величины по сравнению с ядерными реакциями деления. Но возникает сложность при создании экологически чистого ТР, так как концентрация протона 3Не на Земле составляет миллионные доли от протона 4Не. Возникает трудный вопрос получения исходного сырья, например путем доставки его с Луны, где он имеется в значительных концентрациях.