Термоядерні реакції

Термоядерні реакції – це реакції синтезу ядер, які відбуваються лише при високій температурі. Для злиття двох ядер їх треба зблизити на відстань ядерних взаємодій – . Для цього потрібно виконати роботу проти сил електростатичного відштовхування ядер:

,

де – радіус ядерних сил; Z ₁, Z ₂ – порядкові номери елементів. Навіть для найлегших ядер з Z ₁ = Z ₂ = 1, якими є ядра ізо­топів водню Н¹, Н², Н³, робота дорівнює:

.

Для виконання цієї роботи кожна з двох частинок повинна мати кінетичну енергію:

,

звідки випливає, що злиття ядер можливе при температурі речовини

.

Насправді реакції синтезу легких ядер відбуваються з помітною інтенсивністю при значно нижчих температурах, приблизно 10⁷ К. Причина цього – наявність у тепловому русі частинок з швидкостями, значно вищими від середніх; крім того, істотну роль відіграє так званий тунельний ефект. Згідно з квантовою механікою, існує певна ймовірність того, що частинка проникне крізь потенціальний бар'єр з енергією, меншою від нього, проходячи наче через тунель у бар'єрі.

Найсприятливіші умови створюються для реакцій синтезу ядер ізотопів водню; вони можуть давати такі три типи реакцій:

(3.1)

З найбільшою ймовірністю відбувається реакція синтезу дейтерію і тритію, яка має резонансний характер, тобто відповідає умовам, коли енергія складеного ядра, що утворюється при захопленні частинки, яка бомбардується, точно відповідає енергії одного із збуджених станів цього ядра. При тій самій температурі синтез дейтерію і тритію відбувається в 100 разів швидше, ніж дві перші реакції (3.1).

Оскільки енергія зв'язку нуклонів у легких ядрах значно менша ніж у середніх ядрах, то в реакціях синтезу легших ядер виділяється значна енергія. Розрахунки показують, що в результаті повної реакції синтезу ядер 1 кг суміші дейтерію і тритію виділяється енергія Е , яка у вісім разів більша від енергії поділу 1 кг урану-235.

Першу реакцію синтезу дейтерію і тритію було здійснено в ко­лишньому СРСР у 1953 р. у вигляді вибуху потужної водневої бомби. Високої температури, необхідної для реакції синтезу, було досягнуто завдяки вибуху уранової бомби; подальше зростання температури зу­мовлювалося перебігом реакції синтезу.

Крім реакцій синтезу водню в гелій, з великою ймовірністю від­бувається синтез літію з воднем:

тощо.

Тому можна побудувати також воднево-літієву бомбу за схемою, що на рис. 3.4. Вибух такої бомби еквівалентний вибуху кількох мільйонів тонн звичайної вибухової речовини.

Вивільнення величезної енергії в реакціях синтезу легких ядер висунуло на перший план проблему здійснення керо­ваних термоядерних реакцій. Розв'язання цієї проблеми дало б змогу використати як ядерне паливо величезні запаси водню на Землі. Зауважимо, що хоч найлегшим є повний синтез рівних кількостей дейтерію і тритію, все ж у майбутньому головне значення матимуть реакції синтезу чис­того дейтерію. Тритію у природі дуже мало, тоді як природні запаси дейтерію практично необмежені. Кількість дейтерію у водах океанів оцінюється в 10¹⁷ кг; 1 л звичайної води за енергією еквівалентний приблизно 400 л нафти. Прості розрахунки показують, що дейтерію як ядерного палива вистачить на Землі на сотні мільйонів років при бурхливому розвитку енергетики, тоді як запаси інших джерел енергії, в тому числі і ядерних речовин, які розщеплюються, обмежені.

Здійснення керованих термоядерних реакцій пов'язане із значними труднощами: необхідно забезпечити розігрівання дейтерію в певному обмеженому об'ємі до температури понад 10⁸ К (при такій температурі всі речовини перетворюються в плазму) та достатньо високу густину цієї плазми. Тобто, необхідно виконати критерій Лоусона:

с/см ,

де n – концентрація частинок у плазмі; – час утримання частинок у плазмі при даній температурі.

Ще важче забезпечити ізоляцію плазми від стінок посудини, в якій вона міститься. Адже дотик плазми до стінок посудини зумовив би бурхливе випаровування їх, а сама плазма раптово охолоджувалася б, що припинило б термоядерну реакцію.

Для утворення високотемпературної плазми практикуються по­тужні імпульсні електричні розряди в газах. У цих розрядах макси­мальна сила струму досягає величини . Імпульси такого стру­му дістають від заряджених потужних батарей конденсаторів. Імпу­льсні електричні розряди проводяться в дейтерієво-тритієвій суміші та інших газах. У момент розряду температура плазми досягає кіль­кох десятків мільйонів градусів. У таких розрядах вченим вдалося ви­явити потужне нейтронне випромінювання, як свідчення перебігу в плазмі реакцій синтезу.

Термоізоляція газу забезпечується сумарною дією магнітного поля, створеного струмом розряду, і поздовжнього магнітного поля від обмотки, намотаної на розрядну трубу. Як відомо, заряджені частинки не можуть вільно рухатися впоперек магнітних силових ліній.

Не простою справою є вимірювання температур у мільйони гра­дусів. Температуру можна було б виміряти за розширенням спект­ральних ліній. Проте при вказаних температурах водень повністю іонізується і в спектрі випромінювання його ліній немає. З цією ме­тою використовують малі домішки інших газів, таких як азот, оскіль­ки важкі атоми повністю не іонізуються і зберігають спектральні лінії у випромінюванні при таких температурах.

Якою є найдоцільніша розрядна система?

У прямолінійних системах надійно здійснюється термоізоляція плазми від бокових стінок, але ускладнюється ізоляція від електродів, на яких вона охолоджується. Щоб позбутися цього недоліку, почали використовувати тороїдальні камери і розігрівати плазму індук­ційними високочастотними полями. Першими тороїдальними уста­новками в нашій країні були установка «Альфа», в Англії – установка «Зета» і т.д. Проте виявилося, що в тороїдальних камерах умови для термоізоляції плазми від стінок гірші, ніж у лінійних. Тут виникає сильне внутрішнє магнітне поле В_вн > В_зовн, яке зміщує плазму до стінки. У зв'язку з цим з'являється так званий тороїдальний дрейф і частинки плазми попадають на стінку. Щоб усунути цей недолік, застосовують тороїдальну камеру у вигляді вісімки. У ній торо­їдальний дрейф в одній та іншій частинах камери має протилежні напрями. Якщо частинки плазми не вийдуть до стінки в першій половині камери, то вони залишаються в середині камери і в її другій половині. Такі системи називаються стелараторами.

Було встановлено, що на ізоляцію плазми від стінок установки і на збільшення її концентрації сприятливо впливає так званий пінч-ефект. Суть цього ефекту зводиться до того, що коли заряджені час­тинки плазми створюють струм в одному напрямі, то внаслідок взаємодії їх власних полів частинки плазми збираються у вузький плазмовий шнур. Проте плазмовий шнур виявився нестійким і вихо­див з-під контролю. У 1960 р. вітчизняні фізики дійшли висновку, що для утворення стійких плазмових потоків треба перейти на магнітні системи, в яких поле зростає в усіх напрямках.

У 1962 р. на установці такого типу ПР-5 в Інституті атомної енергії ім. І.В.Курчатова вдалося одержати плазму з температурою і густиною 10¹⁰ частинок в 1 см³; плазма утримувалася соті долі секунди. Ці експериментальні результати були на той час найкращими, особливо за тривалістю існування гарячої плазми. Зго­дом в Інституті ядерної фізики Сибірського відділення АН Росії під керівництвом Г.І.Будкера і Українському фізико-технічному інсти­туті на стелараторі «Ураган» дейтерієва плазма була нагріта до температури понад .

Фундаментальні дослідження у справі термоядерного синтезу, проведені в лабораторіях під керівництвом Л.А.Арцимовича і М.О.Лентовича на установках типу «Токамак» (тороїдальних каме­рах з магнітним утриманням плазми), дали змогу добути плазму з температурою , густиною і часом життя 0,05 с.

Зауважимо, що за розрахунками, для роботи термоядерного реактора потрібна плазма з температурою , густиною і часом життя 10 с.

У колишньому СРСР роботи з керованого термоядерного синтезу проводяться в кількох наукових інститутах. У них випробовуються властивості плазми, в тороїдальних системах з сильними магнітними полями, у високочастотних електромагнітних полях великої напруженості, вишукуються шляхи розігрівання плаз­ми (ударний, турбулентний, циклотронний та ін.).

Останнім часом в експерименті випробовуються нові перспек­тивні напрями термоядерного синтезу – лазерний термоядерний синтез (ЛТС) і електронний, що ґрунтується на використанні реля­тивістських електронних пучків (РЕП).

Суть ЛТС, запропонованого М.Г.Басовим, така. Кулька, радіу­сом близько 1 мм, до якої входить дейтерій, опромінюється з усіх бо­ків лазерним імпульсом. Поглинання лазерного випромінювання в тонкому поверхневому шарі мішені веде до раптового нагрівання і випаровування. Вилітання частинок високих швидкостей, згідно з законом збереження імпульсу, зумовлює появу величезного поверхневого тиску, збільшення густини і температури в центральній частині кульки. Якщо густина і температура досягають критичних значень, там виникає термоядерний синтез і температура ще більше підвищується.

Метод здійснення керованого термоядерного синтезу на основі використання РЕП запропонував Е.К.Завойський. Як показують розрахунки, для цього потрібні пучки з силою струму близько 10⁷ А і густиною потужності близько 10¹³ Вт/см².

Якщо РЕП поглинатиметься в шарі важкого металу (5 – 10) мкм завтовшки, то сумарне енерговиділення пучка приблизно в 4 кДж у фокусі зумовить передачу енергії в 1 кеВ на кожний атом речовини. Цього досить, щоб працював електронний термоядерний реактор.

Вказане порогове значення густини потужності РЕП вдалося до­сягти в Інституті ядерної енергії ім. І.В.Курчатова на установках «Тритон» і «Ангара-1» ще в 1974 р. Для нагромадження енергії в них використовуються потужні циліндричні конденсатори, діелектриками в яких є деіонізована вода. Потрібні РЕП можна також дістати за допомогою електронних прискорювачів.

У науково-дослідному інституті електрофізичної апаратури ім. Д.В.Єфремова розробляється проект установки «Ангара-5» з су­марною енергією в пучку електронів 5 МДж: її досить для термоядерного мікровибуху з енерговиділенням до 100 МДж.

Високий рівень сучасної науки і техніки, інтерес до проблеми видатних вчених всього світу дають підстави вірити пророкуванню видатного фізика І.В.Курчатова про те, що XXІ ст. буде часом термоядерної енергії.

Сучасна наука доводить, що термоядерні реакції дуже поширені у всесвіті і є основними джерелами енергії Сонця і зір. Ці тіла на 50% складаються з водню, а температура в їхніх надрах оцінюється десят­ками мільйонів градусів (для Сонця ).

Розрахунки показують, що Сонце щосекунди випромінює енергії, а це відповідає зменшенню маси Сонця на (при загальній масі ). Проте швидкість виділення енергії Сонця, визначена на одиницю його маси, надто мала – , що в 100 разів менше швидкості виділення енергії в живому організмі. Це вказує на те, що термоядерні процеси в надрах Сонця відбуваються досить стабільно і є майже рівноважними.

У 1938 р. Бете, а потім і інші вчені теоретично обґрунтували можливість перебігу в надрах Сонця двох термоядерних циклів: протонно-протонного (р – р) і вуглецево-азотного (С – N).

Протонно-протонний цикл складається з таких реакцій (в дужках зазначено енергетичний ефект реакції Е та середню тривалість реакції t):

;

;

.

У результаті виконання циклу з чотирьох протонів утворюється ядро гелію і 2 позитрони; енергетичний ефект циклу . Другий цикл включає шість реакцій:

;

;

;

;

;

.

Результати виконання другого циклу такі самі, як і першого, проте в (С – N)- циклі роль своєрідних «каталізаторів» відіграють ядра вуглецю ; кількість їх до і після циклу залишається незмінною. Внаслідок перебігу того або іншого циклів на Сонці за рахунок водню утворюється гелій. За астрофізичними даними на Сонці є достатня кількість водню, якого, як матеріалу для термоядерних реакцій, вистачить на декілька мільярдів років. Після цього настане гравітаційний стиск Сонця і підвищення температури його надр, що може створити умови для перебігу реакції синтезу гелію в більш важкі ядра.

Поиск по сайту: