Термоядерные реакции

В § 88 мы уже отмечали, что ядерный синтез, т. е. слияние легких ядер в одно ядро, сопровождается, как и деление тяжелых ядер, выделением огромных коли­честв энергии. Поскольку для синтеза ядер необходимы высокие температуры, этот процесс называется термо­ядерной реакцией.

Чтобы преодолеть потенциальный барьер, обуслов­ленный кулоновским отталкиванием, ядра с порядко­выми номерами и должны обладать энергией:

_ь =—-—,

' я

гдег_я — радиус действия ядерных сил, равный — 2-10^-13 см. Даже для самых легких ядер с Ъ = Ъ_г = = 1 эта энергия составляет

Е=— = (⁴'⁸-^1(Г'°>² =1,15. Ю^-6 эрг «0,7 Мэв. г _я 2•10

На долю каждого сталкивающегося ядра приходится половина указанной величины. Средней энергии тепло­вого движения, равной 0,35 Мэв, соответствует темпера­тура порядка 2-10⁹°К. Однако синтез легких ядер мо­жет протекать и при значительно меньших температурах. Дело в том, что из-за случайного распределения частиц по скоростям всегда имеется некоторое число ядер, энер­гия которых значительно превышает среднее значение.

Кроме того, что особенно существенно, слияние ядер может произойти вследствие туннельного эффекта. По­этому некоторые термоядерные реакции протекают с за­метной интенсивностью уже при температурах порядка 10⁷ °К.

Особенно благоприятны условия для синтеза ядер дейтерия и трития, так как реакция между ними носит резонансный характер. Именно эти вещества образуют заряд водородной (или термоядерной) бом­бы¹). Запалом в такой бомбе служит обычная атомная бомба, при взрыве которой возникает температура по­рядка 10⁷°К. Реакция синтеза дейтерия и трития

]Н² + (Н³ -> ₂Не⁴ + п

сопровождается выделением энергии, равной 17,6 Мэв, что составляет ~3,5 Мэв на нуклон. Для сравнения укажем, что деление ядра урана приводит к высвобож­дению ~ 0,85 Мэв на нуклон.

Синтез ядер водорода в ядра гелия является источ­ником энергии Солнца и звезд, температура в недрах которых достигает 10⁷— 10⁸°К. Этот синтез осуществ­ляется двумя путями. При более низких температурах имеет место протонно-протонный цикл, проте­кающий следующим образом. Вначале происходит син­тез двух протонов с образованием ядра гелия гНе², ко­торое' сразу же претерпевает р⁺-радиоактивный распад:

,Н¹ + ₁Н¹ -* ₂Не² -> ,Н² + е⁺ + v.

Образовавшееся ядро тяжелого водорода (Н², стал­киваясь с протоном, объединяется с ним в ядро гНе³:

,Н²+,Н¹-»₂Не³ + у.

Наконец, последнее звено цикла образует реакция: ₂Не³ + ₂Не³ -> ₂Не⁴ + ,Н¹ + ,Н>.

При более высоких температурах большей вероят­ностью обладает предложенный Г. Бете углеродный

(или углеродно-азотный) цикл, который со­стоит из следующих звеньев:

бСИ + .Н'-^ + у,

₇М^!3—>_сС¹³ ++ V,.бС'ЗНчН^^ + у, ₇Ы^!4 + _!Н¹->₈0¹⁵ + У,

₈0¹⁵ ₇Ы¹⁵ + е+ + v, ₇Ы¹⁵ + ^ —>-₈0¹⁶—>-₆С¹² + ₂Не⁴.

В последней строке ₈0^!6 представляет собой составное ядро [см. уравнение (91.2)].

Итогом углеродного цикла является исчезновение че­тырех протонов и образование одной а-частицы. Коли­чество ядер углерода остается неизменным; эти ядра участ­вуют в реакции в роли катали­затора.

Углеродный цикл преобла­дает в звездах с более высокой температурой. Большая часть энергии Солнца выделяется в результате протонно-протонио- го цикла.

В водородной бомбе термо­ядерная реакция носит некон­тролируемый характер. Для осуществления управ­ляемых термоядерных реакций необходимо создать и поддерживать в некотором объеме темпера­туру порядка 10®°К. При столь высокой температуре вещество представляет собой полностью ионизирован­ную плазму [см. т. II, § 88]. На пути осуществления управляемой термоядерной реакции стоят огромные труд­ности. Наряду с необходимостью получить чрезвычайно высокие температуры, возникает проблема удержания плазмы в заданном объеме. Соприкосновение плазмы со стенками сосуда приведет к ее остыванию. Кроме того, стенка из любого вещества при такой температуре не­медленно испарится. Советские физики А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм предложили удерживать плазму в заданном объеме с помощью магнитного поля. Высокую темпера­туру в плазме получают, пропуская через нее очень силь­ный электрический ток. Магнитное поле этого тока сжи­мает разрядный канал, отрывая плазменный шнур от стенок сосуда¹). Действительно, как следует из рис.263, лоренцева сила действующая на любой, движущийся вдоль плазменного шнура заряд, имеет направление к оси шнура. Чтобы избежать необходимости удержи­вать плазму от соприкосновения с концами разрядной трубки, вместо Прямой разрядной трубки применяют трубки в виде тороида.

К сожалению, плазменный шнур оказался чрезвы­чайно неустойчивым, так что пока удается удерживать плазму от соприкосновения со стенками разрядной труб­ки в течение очень короткого времени. Достигнутые та­ким путем температуры 10^е °К) также недостаточны для возникновения реакции синтеза.

Осуществление управляемого термоядерного синтеза даст человечеству практически неисчерпаемый источник энергии. Поэтому работы по овладению управляемыми термоядерными реакциями ведутся во многих странах. Особенного размаха эти работы достигли в СССР, Анг­лии и США. В СССР значительных успехов достигла группа ученых, работающих под руководством Л. А. Ар- цимовнча.