Термоядерный синтез

Термоядерным синтезом называется такая разновидность ядерных реакций, при которой происходит слияние ядер двух легких элементов с образованием ядра более тяжелого. Протекание этой реакции сопровождается выделением колоссального количества энергии, примером тому – наше Солнце, в котором каждую секунду около 600 миллионов тонн водорода превращается в 4 миллиона тонн гелия.

Образование ядра нового, более тяжелого элемента сопровождается перегруппировкой протонов и нейтронов, составляющих ядра легких элементов – они сливаются в одно большое ядро, и при этом занимают более выгодное энергетическое состояние. При этом, как мы знаем, выделяется энергия.

Можно сказать и так: энергия связи нуклонов в тяжелом ядре меньше, чем суммарная энергия связи нуклонов в легких ядрах, поэтому при слиянии избыток энергии и выделяется. Именно на высвобождающуюся энергию этих связей и возлагают надежды сторонники перехода от традиционной энергетики к термоядерной.

Можно подтвердить простыми расчетами, что энергия связи тяжелых атомов меньше, чем сумма энергий связи исходных легких атомов, но это можно еще и проиллюстрировать простой аналогией. Когда кто-то сбивается кучей, то эта куча является энергетически более выгодным состоянием, более экономным, чем когда они существуют по одиночке. Например, если мальчик и девочка мерзнут, лежа отдельно друг от друга, то им целесообразно сдвинуться поближе и крепко прижаться – им сразу станет заметно теплее. И неудивительно: когда они лежали раздельно, то охлаждение их тел происходило по всей поверхности каждого тела. Но когда они лежат вместе, то те части поверхности их тел, которыми они теперь соприкасаются друг с другом, перестают охлаждаться – они стали словно «внутренними частями сдвоенного тела», в то время как тепло продолжает производиться теми же темпами, что и раньше.

Для того, чтобы термоядерный синтез начался, мы должны сдвинуть протоны на очень близкое расстояние, преодолев силу их электрического отталкивания. Когда необходимо преодолеть некоторую силу, физики используют для этой силы термин «потенциальный барьер» (в аналогии с ежом таким потенциальным барьером служит стенка ямы). Например, для осуществления термоядерной реакции по слиянию изотопов водорода «дейтерия» и «трития» величина потенциального барьера равна примерно 0,1 МэВ. В то же время энергия, которая нужна, чтобы выбить электрон из атома водорода (так называемая «энергия ионизации», ведь атом водорода при этом превращается в ион водорода), равна всего лишь 13 эВ. Это значит, что когда происходит термоядерная реакция, энергия (в виде температуры) настолько велика, что все вещество находится в состоянии «плазмы», когда ионы и электроны перемешаны между собой.

На Земле в лабораторных условиях мы можем достичь условий, при которых начнется термоядерный синтез, если нагреем вещество до невероятно высокой температуры - около 100 миллионов градусов. Мы знаем, что чем сильнее нагревать вещество, тем быстрее начинают двигаться его атомы и молекулы – тепловая энергия переходит в энергию движения, т.е. кинетическую. И при такой высокой температуре ядра носятся так быстро, что, соударяясь друг с другом с невероятной силой, преодолевают электрическое отталкивание и соприкасаются так тесно, что между ними начинается сек... ну то есть термоядерный синтез.

Простые примеры термоядерных реакций:

³He + ³He → ⁴He + 2p

³He + T → ⁴He + p + n («n» - обозначение нейтрона, «Т» - тритий «³H»)

³He + T → ⁴He + D

D + ⁶Li → 2×⁴He

Подсчитай сам – сколько протонов и нейтронов в левой части уравнения, и сколько в правой – сохраняется ли равенство тех и других?

Поиск по сайту: